交换机笔记（一）
这篇笔记从以太网的起源讲起，记录帧格式、CSMA/CD、冲突域这些底层概念，最后落到交换机最核心的工作方式：学习、转发、过滤、泛洪。CSMA/CD 和集线器在今天的网络里已经见不到了，但它们是理解“交换机为什么长成这样”的最好入口，所以内容保留，过时的地方我都单独做了标注。
一、以太网简史
1973 年，施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）的 Robert Metcalfe 和 David Boggs 发明了以太网，实验速率 2.94 Mbps。Metcalfe 用“以太（Ether）“命名，借的是 19 世纪物理学里那个假想的光传播介质——电磁波的”以太“当时刚被迈克尔逊-莫雷实验证伪不久，这个名字带着一点恶作剧的味道。
1980 年，DEC、Intel、Xerox 三家公司联合发布了 DIX 标准，1982 年的 V2.0 版就是后来所说的 Ethernet II。1983 年，IEEE 以其为基础制定了 IEEE 802.3 标准（10BASE5，粗同轴电缆），以太网从此成为开放标准。之后的演进主线是速率不断提升：
| 时间 | 标准 | 名称 | 速率 |
|---|---|---|---|
| 1983 | 802.3 | 10BASE5 | 10 Mbps |
| 1990 | 802.3i | 10BASE-T（双绞线） | 10 Mbps |
| 1995 | 802.3u | 100BASE-TX（快速以太网） | 100 Mbps |
| 1998 | 802.3z | 1000BASE-SX/LX（千兆光纤） | 1 Gbps |
| 1999 | 802.3ab | 1000BASE-T（千兆双绞线） | 1 Gbps |
| 2002 | 802.3ae | 万兆以太网 | 10 Gbps |
| 2010 | 802.3ba | 40G / 100G 以太网 | 40 / 100 Gbps |
IEEE 会定期把零散增补合并进一个合订本，目前的合订本是 802.3-2018。两个时间点值得记住：1995 年快速以太网是交换式网络开始普及的分水岭；2002 年的万兆标准干脆删掉了半双工模式，CSMA/CD 在标准里就此退场。
注（2026 年补充）：现行合订本已更新为 802.3-2022，速率档位也继续扩展到了 800G（802.3df）。
二、以太网帧格式
日常抓包看到的几乎都是 Ethernet II 帧，结构如下：
| 前导码 7B | SFD 1B | 目的MAC 6B | 源MAC 6B | Type 2B | 数据 46~1500B | FCS 4B |- 前导码 + SFD：共 8 字节，用于接收方时钟同步和帧定界，不算在帧长里。前导码是 7 字节交替的 1010，SFD（帧起始定界符）是 1 字节的 10101011。
- 目的 MAC / 源 MAC：各 6 字节。
- Type：2 字节，标识上层协议，如 0x0800 是 IPv4，0x0806 是 ARP，0x86DD 是 IPv6。
- 数据：46 到 1500 字节。不足 46 字节要填充（Padding），1500 字节就是常说的 MTU。
- FCS：4 字节 CRC-32 校验，接收方校验失败直接丢弃，数据链路层不负责重传。
帧长最小 64 字节（从目的 MAC 算到 FCS），最大 1518 字节。最小帧长不是随便定的，它和 CSMA/CD 的冲突检测机制强相关，后面讲。如果帧里打了 802.1Q 的 VLAN Tag（下一篇细讲），帧长多出 4 字节，最大变成 1522 字节。
Type 字段与 802.3 的 Length 字段共用同一个位置：IEEE 802.3 原始格式把这个字段定义为“长度”。区分的办法是数值——小于等于 1500（0x05DC）按长度解释，大于等于 1536（0x0600）按类型解释，中间那段没有定义。如今 Ethernet II 格式一统天下，纯 802.3 格式基本只在 STP BPDU 这类二层协议报文里还能看到。
MAC 地址
MAC 地址 48 位，前 24 位是 OUI（组织唯一标识符，IEEE 分配给厂商），后 24 位由厂商自行分配。第一个字节的最低位是 I/G 位：0 表示单播，1 表示组播；次低位是 U/L 位：0 表示全球统一管理，1 表示本地分配（虚拟机随机生成的 MAC 就是这类，常见 02 开头）。
- 广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF
- 常见组播：IPv4 组播 MAC 以 01-00-5E 开头，STP 的 BPDU 发往 01-80-C2-00-00-00
三、共享式以太网与 CSMA/CD
1. 集线器：一个“假装是星形的总线”
最早的以太网是真总线——所有主机挂在一根同轴电缆上。后来布线改成星形，中心设备是集线器（Hub）。Hub 是物理层设备，不识别任何帧：它从一个端口收到比特流，整形放大后从其余所有端口转发出去。布线变成了星形，逻辑上还是那根总线，任何时刻只允许一台主机发送，两台同时发就会冲突。
一个 Hub 的所有端口处于同一个冲突域。冲突域越大，主机越多，冲突越频繁，有效带宽越低。
过时结论：「5-4-3 规则」——老教材要求共享式以太网最多 5 个网段、4 个中继器（Hub）、其中 3 个网段可以挂主机。这条规则是为了保证冲突信号能在一个 slot time 内传遍全网。交换式网络里每个端口独立成域，5-4-3 规则已经彻底失效，但它是理解“冲突检测为什么限制网络规模”的经典例子。
2. CSMA/CD 的工作过程
共享介质上的发送规则是 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）：
- 先听后说：想发送先监听信道，信道空闲并且持续空闲 96 比特时间（帧间隙 IFG）才能发。
- 边发边听：发送的同时继续监听，一旦发现自己发出去的和线上读到的不一致，说明发生了冲突。
- 冲突处理：立即停止发送数据，改发 32 比特的拥塞信号（Jam），确保所有站点都感知到这次冲突。
- 退避重传：随机等待一段时间后再试。等待时间用截断二进制指数退避算法计算。
退避算法：第 n 次冲突后，从 0 到 2ᵏ−1 之间随机取一个整数 r（k 取 n 和 10 的较小值），等待 r 个 slot time。slot time 是 512 比特时间，10 Mbps 下为 51.2 μs。同一帧冲突 16 次仍发不出去，网卡放弃并向上层报错。
最小帧长 64 字节正是 slot time 的产物：发送方只有在还没发完的时候才能检测到冲突，所以必须保证“发完一帧的时间 ≥ 冲突信号从最远端往返的时间”。802.3 把最大网络直径的往返时延定进 512 比特时间，帧长也就不能短于 512 比特。
过时结论：「CSMA/CD 是以太网的核心机制」。在共享式以太网时代这是对的；今天的交换式以太网全是点对点全双工链路，物理上不存在冲突，CSMA/CD 已经实质退役。千兆标准（802.3z）曾为了兼容半双工把 slot time 扩展到 4096 比特时间，还引入了载波扩展和帧突发机制——这些只活在纸上，实际千兆部署没人用半双工。2002 年万兆标准起，半双工模式直接从标准里删除了。
四、从网桥到交换机
**网桥（Bridge）**是最早的二层设备，IEEE 802.1D 定义。它通常只有两个端口，能把一个冲突域切成两个：A 侧主机互发流量不会跑到 B 侧去。网桥工作在数据链路层，能看懂帧，按 MAC 地址决定转发还是不转发。
交换机（Switch）可以理解为多端口、硬件加速的网桥。早期网桥用软件查表，慢；交换机用 ASIC 芯片转发，可以做到所有端口同时满速收发（线速）。关键变化有两个：
- 每个端口是一个独立的冲突域。端口下如果只挂一台主机（微分段），冲突彻底消失，全双工成为可能。
- 默认情况下所有端口在同一个广播域。交换机能隔离冲突，但隔离不了广播——这是下一篇 VLAN 要解决的问题。
五、交换机如何学习和转发
交换机的全部工作围绕一张 MAC 地址表展开，表项的核心内容是“MAC 地址 → 端口”的映射（实际还有 VLAN，下一篇讲）。对每一个收到的帧，交换机做两件事：先看源地址学习，再查目的地址决定动作。
1. 学习
收到帧后，交换机读取源 MAC 地址，把“源 MAC 在入端口上”这条记录写进表里。已存在的表项会刷新计时器。
动态表项有老化时间，华为和思科设备默认都是 300 秒。300 秒内没再收到该主机发出的帧，表项删除。老化机制是必需的：主机会移动、会下线，表项不能永久有效。
2. 转发决策
再读目的 MAC 地址，查表：
| 查表结果 | 动作 | 说明 |
|---|---|---|
| 命中，出端口 ≠ 入端口 | 转发（Forward） | 只从命中的那个端口发出去 |
| 命中，出端口 = 入端口 | 过滤（Filter/Discard） | 帧自己绕回来了，丢弃即可 |
| 未命中 | 泛洪（Flood） | 除入端口外所有端口各发一份 |
| 广播 / 未知组播 | 泛洪 | 同上 |
第三种情况叫未知单播泛洪：表里查不到这个目的 MAC，只能“广播式”地找。等目的主机回包，交换机就学到了它的位置，后续帧转为精确转发。广播帧（如 ARP 请求）永远泛洪。没有开启 IGMP Snooping 时，组播帧也按泛洪处理。
3. 两个和这张表有关的问题
- MAC 表震荡：如果网络存在环路，同一个主机的帧会从不同端口反复进入交换机，同一个 MAC 的表项在几个端口之间来回跳。这是环路的典型症状，第三篇讲生成树时会再遇到。
- MAC 泛洪攻击：攻击者伪造大量不同源 MAC 的帧把 MAC 表打满，交换机在表满之后对所有未知单播都只能泛洪，相当于退化成 Hub，嗅探变得容易。对应的防护是端口安全（限制单端口学习的 MAC 数量）。
六、三种帧转发方式
交换机转发帧有三种典型方式，区别在于“收到多少就开始发”：
| 方式 | 行为 | 特点 |
|---|---|---|
| 存储转发（Store-and-Forward） | 收完整帧、校验 CRC 后再转发 | 延迟最大，但不传坏帧；支持不同速率端口间转发；当前主流 |
| 直通式（Cut-Through） | 收到前 6 字节（目的 MAC）就查表转发 | 延迟最低（微秒级），但会把 CRC 错误的帧也发出去 |
| 碎片隔离（Fragment-Free） | 收到前 64 字节再转发 | 折中方案；冲突碎片一定小于 64 字节，能被过滤掉 |
数据中心低时延场景（如金融交易网络）会特意选用支持直通转发的交换机；园区和通用场景默认存储转发。
七、全双工与自协商
交换式网络里，交换机和主机之间是点对点链路，发送和接收各走一对线，双方可以同时收发，这叫全双工。全双工链路上物理层不存在冲突，CSMA/CD 自动关闭。
速率和双工模式靠**自协商（Auto-Negotiation）**确定：链路两端交换各自的能力页，取双方都支持的最高组合。
一个经典故障是双工不匹配：一端手工锁定“全双工 100M”，另一端保持自协商。锁定端不参与协商，自协商端按规则退到半双工。链路能通，但半双工端认为有冲突很正常，全双工端从不检测冲突——结果是大量晚碰撞、CRC 错误，吞吐暴跌，时通时断。排查时值得先看端口计数器。
过时结论：「两端都手工锁定速率和双工最稳定」。这条经验出自 10/100M 时代，当时不同厂商的自协商实现互操作确实有坑。但 1000BASE-T 标准（802.3ab）把自协商写成了强制要求——千兆电口要靠协商确定主从时钟关系，锁死速率反而可能起不来或者埋下双工不匹配的隐患。现在的建议是保持自协商。
八、小结
- 以太网从 1983 年的 802.3（10 Mbps）演进到今天的 400G，帧格式基本没变，这是它能统治局域网五十年的原因之一。
- Ethernet II 帧：目的 MAC、源 MAC、Type、46~1500 字节数据、FCS；最小 64 字节来自 CSMA/CD 的 slot time 约束。
- Hub 是物理层设备，整台 Hub 一个冲突域；交换机每个端口一个冲突域，默认所有端口一个广播域。
- 交换机的核心动作是：按源 MAC 学习、按目的 MAC 转发或过滤、查不到就泛洪；动态表项默认老化 300 秒。
- 全双工点对点链路没有冲突，CSMA/CD 只在半双工共享介质上有意义，而半双工已经从万兆起的标准里消失了。