交换机-概念和原理[文].pdf
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2021-10-13
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交换（switching ）是按照通信两端传输信息的需要， 用人工或设备自动完成的方法， 把要传
输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机（ switch ）就是一种在通信
系统中完成信息交换功能的设备。
在计算机网络系统中， 交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。 我们以前介绍过
的 HUB集线器就是一种共享设备， HUB本身不能识别目的地址， 当同一局域网内的 A 主机给 B
主机传输数据时，数据包在以 HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过
验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上
只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。
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若不存在才广播到所有的端口，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，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的
出现，避免共享冲突。
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 2×10Mbps＝ 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包功能的网络设备。 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。
交换机分类
从广义上来看， 交换机分为两种： 广域网交换机和局域网交换机。 广域网交换机主要
应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终
端设备， 如 PC机及网络打印机等。 从传输介质和传输速度上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、 FDDI 交换机、 ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上
又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一
致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少） ，也
可以是固定配置式， 而工作组级交换机为固定配置式 （功能较为简单） 。另一方面， 从应用的
规模来看，作为骨干交换机时，支持 500 个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换
机，支持 300 个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持 100 个信息点以内的
交换机为工作组级交换机。本文所介绍的交换机指的是局域网交换机。
交换机功能
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： 当交换机包括一个冗余回路时， 以太网交换机通过生成树协议避免回路的
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