08_OSI_第二层的设备：交换机和_CA ## 网络协议那些事儿08_OSI_第二层的设备：交换机和_CA 网络协议

08_OSI_第二层的设备：交换机和_CA

网络协议那些事儿

内容简介前言第二层的设备：交换机帧转发和 CAM 表总结 1. 前言之前的课程里，我们已经学习了 OSI 第一层和相关的硬件。

内容简介

前言
第二层的设备：交换机
帧转发和 CAM 表
总结
前言

之前的课程里，我们已经学习了 OSI 第一层和相关的硬件。我们又一起开始了 OSI 第二层的学习，了解了它的作用、MAC 地址和以太网协议等等。

这一课，我们来学习一个革命性的设备，它对网络领域的革新起到了很大的推动作用，这个明星设备就是：交换机。

我们会学习机器是如何通过交换机互连的，以及交换机带给网络领域的突破性技术。

第二层的设备：交换机

交换机，英语是 switch。switch 这个单词的本义是 “开关，交换，改变，转换”。

交换机简单来说就是一个能够互连机器的设备。

交换机从外观上来看就是一个拥有多个 RJ45 接口（母头）的盒子，可以通过双绞线来连接多个机器。下面是交换机的示意图：

网络领域有一个设备叫 “网桥”，英语是 bridge（“桥，桥梁” 的意思）。网桥其实就是 “拥有两个 RJ45 端口的交换机” 罢了，目前基本已被交换机所取代。

我们可以把其它机器（电脑、打印机、传真机、扫描仪，等等）连接到一个交换机，或者把别的交换机连接上去。如下图所示：

你也许要问了：“如果像上图这样有这么多设备连接到交换机，那交换机怎么知道要把以太网帧（Ethernet Frame）发送给谁呢？”

帧转发和 CAM 表

为了将以太网帧（或简称 “帧”）发送到正确的机器，交换机需要知道此帧中的目标 MAC 地址（Destination MAC Address），这个地址是在帧头中的，我们上一课已经学习过。我们再来复习一下以太网帧的结构，如下图所示：

交换机比之前我们学过的集线器（hub）强大得多，主要是因为它有一个表（维护在交换机的内存中），可以将交换机的一个 RJ45 接口（母头）和一个 MAC 地址相关联。这个表就是著名的 CAM 表。

CAM 是 Content Addressable Memory 的缩写。content 是 “内容” 的意思，addressable 是 “可寻址的” 的意思，memory 是 “内存” 的意思，所以 CAM 表示 “内容可寻址内存” 或“内容可寻址存储器”。因此，CAM 表的术语是 “内容可寻址寄存表”。

我们举一个例子来说明 CAM 表的工作原理：

上图表示 “三台机器连接到交换机”。

上图中的交换机的 CAM 表就是这样的：

端口	MAC 地址
1	23 号机器的网卡的 MAC 地址
2	24 号机器的网卡的 MAC 地址
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址

当 23 号机器想要发送一个帧给 25 号机器时，交换机就读取帧里面包含的目标 MAC 地址，根据 CAM 表中 MAC 地址与 RJ45 端口号的对应关系，就知道要发送给哪个端口（port）了。

下文中，如果简单地说 “xxx 的 MAC 地址”，是表示 “xxx 的网卡的 MAC 地址”。

下图表示 “从 23 号机器发送给 25 号机器的帧”：

在我们的例子中，交换机就会把帧发送到端口 3 上，继而这个帧又会到达 25 号机器，因为只有 25 号机器连接着端口 3。

交换机就是依据帧里面的目标 MAC 地址，和交换机自己的 CAM 表来把帧转发到正确的机器上的。

那么，CAM 表是如何被构建的呢？如果我在交换机上连接一个新的机器，交换机将如何记录这个新的机器呢？

CAM 表的更新

交换机的 CAM 表是以动态的方式被构建的，也就是说交换机会随着流经的帧去不断 “学习”：哪个机器连接在哪个端口。

我们还是用之前的例子来讲解。假设交换机的 CAM 表是空的，我们才刚刚按下图所示将各个机器连接到交换机：

一开始，交换机的 CAM 表是空的：

假设此时 23 号机器发送了一个帧给 25 号机器：

上图表示 “从 23 号机器发送给 25 号机器的帧”。

那么，以下事件将依序发生：

帧从 23 号机器被发送到交换机；
交换机读取此帧，看到源 MAC 地址（Source MAC Address），是 23 号机器的网卡的 MAC 地址；
交换机发现这个帧是从端口 1 过来的，因此它就把端口 1 和 23 号机器的网卡的 MAC 地址关联起来，放入交换机的 CAM 表中；
CAM 表被更新。

更新后的 CAM 表如下所示：

端口	MAC 地址
1	23 号机器的网卡的 MAC 地址

此时，帧中的目标 MAC 地址（也就是 25 号机器的网卡的 MAC 地址）还没有在交换机的 CAM 表中，因此交换机还不知道应该把此帧发送到哪个端口。

为了保证目标机器能够接收到此帧，交换机就会把此帧发送给除了源 MAC 所关联的机器（此处是 23 号机器）以外的所有机器。在我们的例子中，就是发送给除了端口 1 以外的所有连接着机器的端口。这种操作通常被称为 flooding（泛洪），将从某个接口收到的数据向除该接口之外的所有接口发送出去。

这样，25 号机器也会接收到这个帧，根据帧中的源 MAC 地址，它知道是 23 号机器发送此帧给自己的，“噢，原来是你小子”，因此它就可以回复 23 号机器了。25 号机器会发送一个帧给 23 号机器，这个帧的内容如下：

上图表示 “从 25 号机器发送给 23 号机器的帧”。

那么，以下事件将依序发生：

帧从 25 号机器被发送到交换机；
交换机读取此帧，看到源 MAC 地址，是 25 号机器的网卡的 MAC 地址；
交换机发现这个帧是从端口 3 过来的，因此它就把端口 3 和 25 号机器的网卡的 MAC 地址关联起来，放入交换机的 CAM 表中；
CAM 表被更新。

更新后的 CAM 表如下所示：

端口	MAC 地址
1	23 号机器的网卡的 MAC 地址
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址

因此：

当交换机读取一个流经的帧，它就去更新 CAM 表；
如果交换机在它的 CAM 表中找不到此帧中的目标 MAC 地址，那么它就会把这个帧发送给除了此帧来源以外的所有机器。

好了，我们现在已经了解了交换机的工作原理。但是聪明如你，应该也发现了：CAM 表的内容会不断增加，毕竟我们会一直 “喂” 给它新的数据。

如何比较有效地解决这样的问题呢？我们来学习一个新的知识点：TTL（生存时间）。

CAM 表的生存时间

在网络领域，我们经常会提及 TTL。

TTL 是 Time To Live 的缩写，表示 “生存时间”。因此，TTL 代表了一段时间。

TTL（生存时间）的主要原理是让数据有效一段时间，一旦超过这段时间，数据就变成无效的了。有点类似食物的保质期，一旦过了保质期，食物就只能被丢弃，作废了。

对于 CAM 表中的数据来说也是一样。表中的数据有一个生存时间，一旦超过这个时间，我们就把这段数据从 CAM 表中移除。这样，过期的数据将被删除，CAM 表中的数据就可以一直更新。

CAM 表中的所有数据都高喊：“宝宝这么可爱，怎么可以删宝宝… 我真的还想再活五百年!”。

我们还是拿之前那个 CAM 表来做例子，如下：

端口	MAC 地址
1	23 号机器的网卡的 MAC 地址
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址

我们在 CAM 表中添加一列，表示 TTL（生存时间）：

端口	MAC 地址	TTL
1	23 号机器的网卡的 MAC 地址	120 秒
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址	150 秒

可以看到 CAM 表中有两行数据，第二行数据是比较新的，因为它的 TTL 时间（150 秒）比第一行的 TTL 时间（120 秒）要多。

经过 121 秒之后，如果 23 号机器和 25 号机器都没有发送信息，那么 CAM 表将变成这样（150 - 121 = 29）：

端口	MAC 地址	TTL
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址	29 秒

现在，如果 25 号机器再次发送一个帧，它的 TTL 时间就会被重置，因为交换机重新知悉了 “25 号机器连接着端口 3”，那么 CAM 表将变成这样：

端口	MAC 地址	TTL
3	25 号机器的网卡的 MAC 地址	150 秒

这样，交换机在每次接收到以太网帧的时候都会扩充 CAM 表的内容或者更新已有的内容。如果过了很久，交换机都没有收到任何帧，那么它的 CAM 表就会被清空。

几个补充问题

问题 1 ：交换机能主动获知网络中的机器的 MAC 地址吗？

答：通常不能。因为这不是交换机的角色，交换机是一个被动的元器件。此外，机器在知道自己的网卡连接到交换机之后，在大多数情况下会发送帧到网络。交换机查看这个帧，依此更新其 CAM 表。

问题 2 ：交换机有 MAC 地址吗？

答：通常没有。没有机器需要真的与交换机通信（“可怜的交换机，傻傻没人爱”），交换机只是一个类似中间人或中继（relay）的角色，负责转发信息，有点类似邮局的包裹处理系统。因此交换机不需要有 MAC 地址。

然而，有些交换机被称为 “可管理的”，这意味着我们可以连接到交换机上，对其进行设置。在这种情况下，交换机需要有一个 MAC 地址，以便在网络中被识别。

CAM 表的实例

下面展示一张真实的交换机的 CAM 表。Port 表示 “端口”，MAC Address 表示 “MAC 地址”：

可以看到，竟然有 6 台机器连接着此交换机的端口 19，也有 3 台机器连接着端口 25。

这可能吗？还是说这是一个错误？

是的，这是可能的。事实上，我们不能在交换机的一个 RJ45 端口上连接多台机器。但是，我们可以在交换机的一个 RJ45 端口上连接另一台交换机，这样所有连接在第二台交换机上的机器的 MAC 地址就很可能会被显示连接在第一台交换机的这个端口上。

所以，根据上面这张 CAM 表的实例图，我们可以推断应该有第二台交换机连接着我们的交换机的端口 19，还有第三台交换机连接着我们的交换机的端口 25。

一些捣蛋行为

现在我们已经知道了交换机的工作原理，如果我们想要使坏，可以怎么做来干扰交换机的正常运作呢？有很多方法可以做到这一点。

方法 1 ：批量发送以达到饱和

如果我们向不存在的目标 MAC 地址发送大量的帧，会发生什么呢？

交换机不知道应该把这些帧发送到哪个端口，就会把它们发送到所有连着机器的端口… 这样交换机马上就会超负荷运作了。

方法 2 ：使 CAM 表饱和

如果我们向交换机发送大量的帧，每个帧里面的源 MAC 地址每次变换一下，会发生什么呢？

我们知道在这种情况下，交换机的 CAM 表会逐渐被填充。CAM 表中的数据越多，交换机每次读取数据所花的时间就越长… 不仅交换机的内存会不够用，交换机的资源也会被耗尽。当交换机饱和，没有时间去读取 CAM 表中的庞大数据时，它就会把收到的帧转发到所有连着机器的端口。此时，如果一个黑客的电脑也连接着交换机，那么它就可以获取交换机上的所有数据流。当然，我们之后还会学习到一些更厉害的方法，可以查看交换机上的数据流。

现在，我们已经知道了什么是交换机及其工作原理。下一课，我们将看一下交换机对网络的影响，还会介绍 VLAN（虚拟局域网）。

总结

交换机就像一个中继（relay）或中转站，会通过学习帧中的数据，来更新它的 CAM 表，以便正确地实现帧转发；
TTL（生存时间）可以比较有效地避免交换机中的数据陈旧或者数据量过多；
交换机不能主动地获知网络中的机器的 MAC 地址，而只能被动地学习；
交换机通常没有 MAC 地址；
可以通过一些小技巧来使交换机饱和，干扰它的运作。

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