交換機(jī)是什么？交換機(jī)工作原理詳細(xì)介紹

交換機(jī)(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(diǎn)，能對(duì)接收到的信息進(jìn)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(jī)是一種交換式設(shè)備。

作為一種交換式設(shè)備，交換機(jī)的每個(gè)端口能為與之相連的節(jié)點(diǎn)提供專用的帶寬，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)占信道。交換機(jī)端口、節(jié)點(diǎn)以及交換機(jī)容量的關(guān)系如下所示。

(1)交換機(jī)的特點(diǎn)

交換機(jī)主要具有以下特點(diǎn)。

①獨(dú)享帶寬。若一臺(tái)端口速率為100Mbit/s的交換機(jī)同時(shí)連接N臺(tái)計(jì)算機(jī)，那么網(wǎng)絡(luò)的總帶寬為N x 100Mbit/s。換言之，采用交換機(jī)組建的交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬不會(huì)因節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而減少，網(wǎng)絡(luò)性能也不會(huì)因負(fù)荷的增加而降低。

②多對(duì)節(jié)點(diǎn)可并行通信。交換機(jī)允許自身連接的多對(duì)設(shè)備同時(shí)建立通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

③可靈活配置端口速率。交換機(jī)允許各節(jié)點(diǎn)按照自身需求靈活配置端口速率，且交換機(jī)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(jī)支持構(gòu)造虛擬局域網(wǎng)(VLAN),以軟件的方式通過(guò)邏輯工作組劃分和管理網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

另外，交換機(jī)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(guò)渡到交換式以太網(wǎng)時(shí)可替代集線器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

(2)交換機(jī)的工作原理

交換機(jī)在接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)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(jī)所在的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。交換機(jī)之所以能實(shí)現(xiàn)這一功能，是因?yàn)榻粨Q機(jī)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(jī)各端口的對(duì)應(yīng)信息。當(dāng)有數(shù)據(jù)幀需要通過(guò)該交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，交換機(jī)根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的MAC地址表獲取目的設(shè)備所對(duì)應(yīng)的端口，通過(guò)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(jī)pc3發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)接收到該數(shù)據(jù)幀后，會(huì)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(hào)E0/5，將數(shù)據(jù)從端口E0/5轉(zhuǎn)發(fā)出去。

交換機(jī)中的MAC地址表初始為空，交換機(jī)自投入使用后，會(huì)通過(guò)一定的措施構(gòu)建并完善MAC地址表，這一過(guò)程主要包含4個(gè)重要概念:學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)、泛洪和更新。

①學(xué)習(xí)。當(dāng)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(tái)設(shè)備時(shí)，交換機(jī)會(huì)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(jī)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(duì)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(jī)一時(shí)無(wú)法獲取目的主機(jī)所連接的端口，此時(shí)交換機(jī)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(jī)記下回應(yīng)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和對(duì)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(jī)內(nèi)部每隔一定時(shí)間會(huì)將表進(jìn)行一次更新。

(3)數(shù)據(jù)交換方式

交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換方式分為直接交換和存儲(chǔ)交換兩種。

直接交換指交換機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀后，立即獲取幀中的目的地址，并通過(guò)MAC地址表獲取目的端口號(hào)，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(diǎn)：

①可靠性較低。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)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(wú)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(wú)法直通。由于沒(méi)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(shí)現(xiàn)困難。當(dāng)交換機(jī)的端口增加時(shí)，交換矩陣的復(fù)雜性也隨之增加，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

存儲(chǔ)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(jī)接收到數(shù)據(jù)幀后會(huì)將數(shù)據(jù)幀進(jìn)行存儲(chǔ)與校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)無(wú)誤，再取出目的MAC地址，通過(guò)映射表查找相應(yīng)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

與直接交換相比，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的延遲較大，但具有檢錯(cuò)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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