交換機是什么？交換機工作原理詳細介紹

交換機(Switch)也是網(wǎng)絡(luò)中的一種集線設(shè)備，與集線器一樣，它能以自身為中心連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能對接收到的信息進行再生放大以增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離；但它又與集線器不同——交換機是一種交換式設(shè)備。

作為一種交換式設(shè)備，交換機的每個端口能為與之相連的節(jié)點提供專用的帶寬，讓每個節(jié)點獨占信道。交換機端口、節(jié)點以及交換機容量的關(guān)系如下所示。

(1)交換機的特點

交換機主要具有以下特點。

①獨享帶寬。若一臺端口速率為100Mbit/s的交換機同時連接N臺計算機，那么網(wǎng)絡(luò)的總帶寬為N x 100Mbit/s。換言之，采用交換機組建的交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬不會因節(jié)點數(shù)量的增加而減少，網(wǎng)絡(luò)性能也不會因負荷的增加而降低。

②多對節(jié)點可并行通信。交換機允許自身連接的多對設(shè)備同時建立通信鏈路，進行數(shù)據(jù)交換。

③可靈活配置端口速率。交換機允許各節(jié)點按照自身需求靈活配置端口速率，且交換機不僅支持某種速率的端口，還支持端口自適應(yīng)配置。

④便于管理。交換機支持構(gòu)造虛擬局域網(wǎng)(VLAN),以軟件的方式通過邏輯工作組劃分和管理網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

另外，交換機可與使用集線器搭建的網(wǎng)絡(luò)兼容，在從共享式局域網(wǎng)過渡到交換式以太網(wǎng)時可替代集線器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。

(2)交換機的工作原理

交換機在接收到數(shù)據(jù)時，會先檢查數(shù)據(jù)中包含的MAC地址，再將數(shù)據(jù)從目的主機所在的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。交換機之所以能實現(xiàn)這一功能，是因為交換機內(nèi)存有一張MAC地址表，該表記錄了網(wǎng)絡(luò)中所有MAC地址與該交換機各端口的對應(yīng)信息。當有數(shù)據(jù)幀需要通過該交換機進行轉(zhuǎn)發(fā)時，交換機根據(jù)內(nèi)部存儲的MAC地址表獲取目的設(shè)備所對應(yīng)的端口，通過找到的端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，如下圖所示。

假設(shè)上圖中的設(shè)備pc2向主機pc3發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，交換機接收到該數(shù)據(jù)幀后，會先查出目的MAC地址為00-0B-2F-4B-60-57，然后查詢MAC地址表，找到目的MAC地址連接的端口號E0/5，將數(shù)據(jù)從端口E0/5轉(zhuǎn)發(fā)出去。

交換機中的MAC地址表初始為空，交換機自投入使用后，會通過一定的措施構(gòu)建并完善MAC地址表，這一過程主要包含4個重要概念:學習、轉(zhuǎn)發(fā)、泛洪和更新。

①學習。當端口E0/1連接的設(shè)備pc1要發(fā)送數(shù)據(jù)幀給另外一臺設(shè)備時，交換機會先檢查數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址(00-0B-2F-4B-60-26)，判斷MAC地址表中是否存在相關(guān)記錄，若有則更新記錄(00-0B-2F-4B-60-26，E0/1)，否則新增記錄。

②轉(zhuǎn)發(fā)。交換機檢查數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，查詢MAC地址表中與目的MAC地址相關(guān)的記錄，若找到相應(yīng)記錄，則將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到記錄對應(yīng)的端口。

③泛洪。若MAC地址表中不存在與目的MAC地址相關(guān)的記錄，交換機一時無法獲取目的主機所連接的端口，此時交換機將發(fā)送數(shù)據(jù)幀給除源端口外所有的端口(此即泛洪)，等到相應(yīng)的目的端口回復(fù)后，交換機記下回應(yīng)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和對應(yīng)端口，以方便后續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

④更新。為保證MAC地址表的正確性，交換機內(nèi)部每隔一定時間會將表進行一次更新。

(3)數(shù)據(jù)交換方式

交換機的數(shù)據(jù)交換方式分為直接交換和存儲交換兩種。

直接交換指交換機接收到數(shù)據(jù)幀后，立即獲取幀中的目的地址，并通過MAC地址表獲取目的端口號，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。此種數(shù)據(jù)交換方式效率高、延遲小，但又具有如下缺點：

①可靠性較低。數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能因碰撞而損壞，但直接交換方式不檢查數(shù)據(jù)幀的完整性和正確性，直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，無法保證數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃浴?br/>

②不同速率的端口無法直通。由于沒有緩存，不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通。

③實現(xiàn)困難。當交換機的端口增加時，交換矩陣的復(fù)雜性也隨之增加，實現(xiàn)起來比較困難。

存儲轉(zhuǎn)發(fā)是應(yīng)用比較廣泛的一種數(shù)據(jù)交換方式，使用此種方式，交換機接收到數(shù)據(jù)幀后會將數(shù)據(jù)幀進行存儲與校驗，若校驗結(jié)果表明數(shù)據(jù)無誤，再取出目的MAC地址，通過映射表查找相應(yīng)端口進行轉(zhuǎn)發(fā)。

與直接交換相比，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的延遲較大，但具有檢錯能力，且可支持不同速率的端口間的數(shù)據(jù)交換。

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