一文读懂“交换机”

在通信组网应用工程中，交换机是经常会用到的，交换机到底是怎么工作的？到底起到什么作用？今天我们来一起学习一下。

交换机是一种基于MAC地址识别，完成数据的封装和转发的网络设备。

交换机工作在OSI七层模型中的第二层--数据链路层，由HUB集线器升级改进而来。

交换机的一个接口连接的网络是一个冲突域，即交换机可以隔离冲突域，但是交换机对广播帧是透明的，所以交换机不能隔离广播域。

冲突域是指一个站点向另一个站点发出信号，除目的站点外，其他收到这个信号的站点的集合。广播域是指一个站点广播信号后，能收到这个信号的站点的集合。

交换机的主要功能包括物理编址、错误校验、帧序列以及流控，部分交换机还支持VLAN、链路汇聚，甚至防火墙等功能。

交换机“学习”每个端口所连接网络设备的MAC地址，形成一个端口与MAC地址的对应表，并在数据帧的发送者和接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧由源主机到达目的主机。

我们重点学习交换机的工作原理与过程。

1.交换机初始化时，本地MAC地址表为空。

2.当主机A发送数据帧给主机C，交换机读取数据帧，查询发现本地MAC地址表中没有该帧的源MAC地址，立即将其源MAC地址与端口的对应关系记录下来。

3.交换机查询目的MAC地址，发现也不在本地MAC地址表中，于是将帧从所有端口广播出去（F1端口除外），主机B和D收到帧后发现帧的目的地址与自身MAC地址不符，直接丢弃。主机C发现帧的目的地址与本地MAC地址相符，立即接收帧，并回复应答帧。

4.交换机根据主机C发送的应答帧，将主机C的MAC地址（即应答帧的源地址）与端口的对应关系记录下来。

5.当主机A发送数据帧给主机C，交换机查询发现帧的源地址和目的地址在本地MAC地址表中都存在。

6.交换机只需要从F0端口有选择性地将帧发送出去。主机A发现帧的目的地址与自身MAC地址相符，接收帧。

交换机通过逐步学习和记忆整个网络中的MAC地址，不断丰富和完善自己的MAC地址表，并可实现所有数据的转发。

由此可见，交换机使用的时间越长，学习到的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少，因而广播的包就越少，处理速度就越快。

注意：交换机的本地MAC地址表中的表项是有生存期。每个表项在建立后开始进行倒计时，每次发送数据都要刷新记时。对于长期不发送数据的主机，其MAC地址的表项在生存期结束时删除。

1.端口类型

交换机常见的端口有4种类型，即光纤端口、双绞线端口、GBIC插槽和SFP插槽。

光纤端口传输光信号，通过光纤跳线连接设备。双绞线端口传输电信号，通过双绞线连接设备。GBIC是指千兆位接口转换器，采用SC接口。SFP可以简单的理解为GBIC的升级版本，体积较GBIC小一倍，多采用LC接口。

2.背板带宽

背板带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量，就像是立交桥所拥有车道的总和。背板带宽越大，交换机的传输速率越快。

背板带宽=端口数×相应端口速率×2。

3.

包转发率标志交换机转发数据包能力的大小，是指交换机每秒可以转发多少个数据包，即交换机能同时转发的数据包的数量。

包转发率=10G端口数×14.88Mpps 1000M端口数×1.488Mpps 100M端口数×0.1488Mpps。

4.支持VLAN能力

交换机是否支持VLAN（虚拟局域网）是用户关注的重要指标值之一。

5.可扩展性

可扩展性包括插槽数量和模块类型。

插槽数量：插槽用于安装各种功能模块和接口模块。接口模块上的端口数量一定，插槽数量也就从根本上决定着交换机所能容纳的端口数量。

模块类型：支持的模块类型（如LAN接口模块、WAN接口模块、ATM接口模块、 扩展功能模块等）越多，交换机的可扩展性越强。

1.按网络构成方式

接入层交换机:主要解决终端接入问题，基本上是固定端口式交换机，以10/100端口为主。

汇聚层交换机：主要用于汇聚接入交换机，用来传递核心层交换机和接入层交换机的信息。

核心层交换机：用于骨干传输网络，主要起到路由和大量信息转发处理的功能。

2.按传输速度

可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、万兆以太网交换机。

3.按规模应用

企业级交换机：支持500个信息点以上。

部门级交换机：支持300个信息点以上。

工作组交换机：支持100个信息点以上。

4.按架构特点

机架式交换机：是一种插槽式的交换机，扩展性较好，可支持不同的网络类型，很多高端交换机都采用机架式结构，但价格较贵。

带扩展槽固定配置式交换机：是一种有固定端口并带有少量扩展槽的交换机，可通过扩展其他网络类型模块来支持其他类型网络。

不带扩展槽固定配置式交换机：仅支持一种类型的网络（如以太网），可应用于小型企业或办公室环境下的局域网，价格便宜。

5.按OSI七层网络模型

二层交换机：基于MAC地址工作，应用最为广泛，主要用于网络接入层和汇聚层。

三层交换机：较多用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。

第四层以上的交换机称之为内容型交换机，主要用于互联网数据中心。

交换机作为局域网数据转发的核心设备，其性能及功能决定着局域网的可管理性和数据转发性能，选择交换机时有几点建议供大家参考：

1.根据所规划网络的规模和交换机的应用层次来初步选择交换机，建议如下：

2.根据实际部署要求来选择不同外形的交换机，包括机架式和桌面式交换机。

3.根据交换机接入的终端或二级设备的数量，选择交换机的端口数量。

4.根据所规划网络的业务需求，选择交换机的端口速率（百兆、千兆、万兆）和端口类型（RJ45、SFP/光口、PoE供电网口等）。  

5.根据业务类型和实际需求，综合考虑交换机的MAC地址表深度、路由条目数、堆叠能力、三层能力、VLAN支持能力、网管能力、冗余能力以及访问控制、802.1X认证、环回检测等功能。