交换机原理

原理

工作在数据链路层，交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换

矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据

包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件

地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包

传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应

后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交

换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的

网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，

但它不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可进行多个端口

对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设

备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发

送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络

的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网

交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于210Mbps=20Mbps，而使用

10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，

交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。

交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧

的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址

到达目的地址。

以太网交换机

随着计算机及其互联技术（也即通常所谓的“网络技术”）的迅速发展，以太网成

为了迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。而以太网的核心部件就是以太网

交换机。

不论是人工交换还是程控交换，都是为了传输语音信号，是需要独占线路

的“电路交换”。而以太网是一种计算机网络，需要传输的是数据，因此采用的是“分

组交换”。但无论采取哪种交换方式，交换机为两点间提供“独享通路”的特性不会改

变。就以太网设备而言，交换机和集线器的本质区别就在于：当A发信息给B时，

如果通过集线器，则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息（也就是以广播形

式发送），只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息；而如果通过交换机，

除非A通知交换机广播，否则发给B的信息C绝不会收到（获取交换机控制权限从

而监听的情况除外）。

功能

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。

目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚

的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。

学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端

口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连

接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。

消除回路：当交换机包括一去牙渍的方法 个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回

路的产生，同时允许存在后备路径。

交换机eb怀特 除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网

和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或

FDDI等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键

服务器我身边最可爱的人 提供附加带宽。

一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更

快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，

网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。

最后简略的概括一下交换机的基本功能：

1．像集线器一样，交换机提供了大量可供线缆连接的端口，这样可以采用星型

拓扑布线。

2．像中继器、集线器和网桥那样，当它转发帧时，交换机会重新产生一个不肉牛饲料 失

真的方形电信号。

3．像网桥那样，交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑。

4．像网桥那样，交换机将局域网分为多个冲突域，每个冲突域都是有独立的宽

带，因此大大提高了局域网的带宽。

5．除了具有网桥、集线器和中继器的功能以外，交换机还提供了更先进的功能，

如虚拟局域网（VLAN）和更高的性能。

编辑本段交换机与路由器的区别

传统交换机从网桥发展而来，属于OSI第二层即数据链路层设备。它根据MAC

地址寻址，通过站表选择路由，站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器属于

OSI第三层即网络层设备，它根据IP地址进行寻址，通过路由表路由协议产生。交换

机最大的好处是快速，由于交换机只须识别帧中MAC地址，直接根据MAC地址产

生选择转发端口算法简单，便于ASIC实现，因此转发速度极高。但交换机的工作机

制也带来一些问题。

1．回路：根据交换机地址学习和站表建立算法，交换机之间不允许存在回路。

一旦存在回路，必须启动生成树算法，阻塞掉产生回路的端口。而路由器的路由协议

没有这个问题，路由器之间可以有多条通路来平衡负载，提高可靠性。

2．负载集中：交换机之间只能有一条通路，使得信息集中在一条通信链路上，

不能进行动态分配，以平衡负载。而路由器的路由协议算法可以避免这一点，OSPF

路由协议算法不但能产生多条路由，而且能为不同的网络应用选择各自不同的最佳路

由。

3．广播控制：交换机只能缩小冲突域，而不能缩小广播域。整个交换式网络就

是一个大的广播域，广播报文散到整个交换式网络。而路由器可以隔离广播域，广播

报文不能通过路由器继续进行广播。

4．子网划分：交换机只能识别MAC地址。MAC地址是物理地址，而且采用平

坦的地址结构，因此不能根据MAC地址来划分子网。而路由器识别IP地址，IP地

址由网络管理员分配，是逻辑地址且IP地址具有层次结构，被划分成网络号和主机

号，可以非常方便地用于划分子网，路由器的主要功能就是用于连接不同的网络。

5．保密问题：虽说交换机也可以根据帧的源MAC地址、目的MAC地址和其他

帧中内容对帧实施过滤，但路由器根据报文的源IP地址、目的IP地址、TCP端口地

址等内容对报文实施过滤，更加直观方便。

编辑本段交换方式

交换机通过以下三种方式进行交换：

1)直通式：

直通方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交

换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启

动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直

通到相应的端口，实现交换英语打招呼 功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是

它的优点。它的缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法

检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有

不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。

2)存储转发：

存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先

存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包

的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，存储转发方式在数据处

理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效

地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口

与低速端口间的协同工作。网名叫什么好

3)碎片隔离：

这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节，

如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。这种

方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

编辑本段几种交换技术

1.端口交换

端口交换技术最早出现在插槽式的集线器中，这类集线器的背板通常划分有多条

以太网段（每条网段为一个广播域），不用网桥或路由连接，网络之间是互不相通的。

以大主模块插入后通常被分配到某个背板的网段上，端口交换用于将以太模块的端口

在背板的多个网段之间进行分配、平衡。根据支持的程度，端口交换还可细分为：

模块交换：将整个模块进行网段迁移。

端口组交换：通常模块上的端口被划分为若干组，每组端口允许进行网段迁移。

端口级交换：支持每个端口在不同网段之间进行迁移。这种交换技术是基于OSI

第一层上完成的，具有灵活性和负载平衡能力等优点。如果配置得当，那么还可以在

一定程度进行容错，但没有改变共享传输介质的特点，自而未能称之为真正的交换。

2.帧交换

帧交换是目前应用最广的局域网交换技术，它通过对传统传输媒介进行微分段，

提供并行传送的机制，以减小冲突域，获得高的带宽。一般来讲每个公司的产品的实

现技术均会有差异，但对网络帧的处理方式一般有以下几种：

直通交换：提供线速处理能力，交换机只读出网络帧的前14个字节，便将网络

帧传送到相应的端口上。

存储转发：通过对网络帧的读取进行验错和控制。

前一种方法的交换速度非常快，但缺乏对网络帧进行更高级的控制，缺乏智能性

和安全性，同时也无法支持具有不同速率的端口的交换。因此，各厂商把后一种技术

作为重点。

有的厂商甚至对网络帧进行分解，将帧分解成固定大小的信元，该信元处理极易

用硬件实现，处理速度快，同时能够完成高级控制功能（如美国MADGE公司的LET

集线器）如优先级控制。

3.信元交换

ATM技术采用固定长度53个字节的信元交换。由于长度固定，因而便于用

硬件实现。ATM采用专用的非差别连接，并行运行，可以通过一个交换机同时建立

多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。ATM还容许在源节点和目标、

节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。ATM采用了统计时分电路

进行复用，因而能大大提高通道的利用率。ATM的带宽可以达到25M、155M、622M

甚至数Gb的传输能力。但随着万兆以太网的出现，曾经代表网络和通讯技术发展的

未来方向的ATM技术，开始逐渐失去存在的意义。