当前热议!交换机的工作原理、三个主要功能、工作特性以及分类

一、交换机的工作原理

前面我们讲了以太网的传输设备，在其中也提到了集线器、网桥、交换机等设备。但随着技术的发展集线器和网桥已经被交换机取代。现在局域网中最常用的传输设备为交换机。所以我们这里将会深入的介绍一下交换机的工作原理。

交换机的工作原理：

1. 交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。

2.交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。

3.如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）。

4.广播帧向所有的端口转发，组播帧向所属的组播端口转发。

在交换机的工作原理中很关键的一个参数是MAC地址，交换机基于MAC地址来工作。下面我们详细学习一下MAC地址。

一个制造商在生产制造网卡之前，必须先向 IEEE 注册，以获取到一个长度为 24bit 的厂商代码，也称为 OUI（Organizationally-Unique Identifier）。制造商在生产制造网卡的过程中，会往每一块网卡的 ROM 中烧入一个 48bit 的 BIA（Burned-In Address，固化地址）地址，BIA 地址的前 3 个字节就是该制造商的 OUI，后 3 个字节由该制造商自己确定，但不同的网卡，其 BIA 地址的后 3 个字节不相同。烧入进网卡的 BIA 地址是不能被更改的，只能被读取出来使用。如下图所示地址的格式。

注意，BIA 地址只是 MAC 地址的一种，更准确的说，BIA 地址是一种单播 MAC 地址。MAC 地址共分为 3 种，分别为单播 MAC 地址、组播 MAC 地址、广播 MAC 地址。这 3 种 MAC 地址的定义分别如下：

1）单播 MAC 地址是指第一个字节的最低位是 0 的 MAC 地址。2）组播 MAC 地址是指第一个字节的最低位是 1 的 MAC 地址。3）广播 MAC 地址是指每个比特都是 1 的 MAC 地址。广播 MAC 地址是组播 MAC 地址的一个特例。

一个单播 MAC 地址（例如 BIA 地址）标识了一块特定的网卡；一个组播 MAC 地址标识的是一组网卡；广播 MAC 地址是组播 MAC 地址的一个特例，它标识了所有的网卡。从上图我们可以发现，并非一个 MAC 地址的前 3 个字节都是 OUI，只有单播 MAC 地址的前 3 个字节才是 OUI，而组播或广播 MAC 地址的前 3 个字节一定不是 OUI。特别需要说明的是，OUI 的第一个字节的最低位一定是 0。

接下来我们看一下这几类MAC 地址的事例

有了上面MAC地址的知识后，接下来我们就可以深入地研究交换机的具体的工作原理：

如图所示，3台计算机终端设备（也可以是PLC或其他带以太网接口的终端设备）分别接到了交换机的G0/0/1、G0/0/2和G0/0/3端口上

各终端设备的IP地址和MAC地址如图所示。交换机上电后处于初始的状态，交换机的MAC地址为空。

当主机A需要发起ICMP Ping request到主机C时，主机A通过命令行的命令知道需要通信的目的主机的IP地址（这里的目的地址就是10.1.1.3/24），但主机A却不知道主机C的MAC地址。所以此时主机A先暂不发送ICMP 的Ping request，而是发送一个ARP的广播报文帧，以此来用来获得主机C的MAC地址。ARP广播报文的目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的广播类型地址，而这个ARP广播报文帧中的源MAC地址为主机A自身的MAC地址00-01-02-03-04-BB的单播地址，ARP广播报文帧的数据部分封装的是ARP协议。这样的报文帧从主机A发出到达交换机后，交换机按照其工作原理把收到的此帧的源MAC地址00-01-02-03-04-AA和对应端口G0/0/1对应成一条表项记录到交换的MAC地址表中。

交换机把主机A的MAC地址与端口绑定后，交换机需要把此ARP的广播数据帧转发出去。在这里我们需要补充一个知识点是交换机的转发行为：交换机把接收到的数据帧可能有如下的3种处理方式。

1、向所有其他所有端口（除入端口外的端口）进行转发；

2、向指定的端口转发；

3、丢弃数据帧。

若交换机收到的数据帧的目的MAC地址为广播地址即FF-FF-FF-FF

-FF-FF或交换机收到的单播地址在MAC地址表中不存在，交换机都会按第一种方式发送。若收到的数据帧的MAC地址为单播MAC地址且此地址可以在交换的MAC地址表中查到则交换机会按照第二种单播转发方式转发。若交换机接收到的数据帧经CRC校验后发现有错，则交换机就会按照第三种方式处理，直接丢弃此数据帧。

有了上面的知识，我们接着看ARP广播的数据帧到了交换机，且交换经过CRC校验后发现没有出错，交换机也把此帧的源MAC地址与端口绑定，接着交换机查看到目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的广播地址，交换机就把此帧转发按照广播的转发方式转发，即除了如端口外的其他端口都进行转发出去。此ARP广播帧会发送到主机B和主机C上。

主机B接收到此数据帧后，把数据帧解封装后发现ARP协议部分请求的不是自己IP地址对应MAC地址，就把数据帧丢弃，不做进一步的处理。而主机C发现是请求的是自己IP地址对应的MAC地址，主机C就需要进一步处理，于是主机C就回应主机A的ARP请求。主机C回应主机C的ARP请求是用主机A的MAC地址作为目的MAC地址，主机C自己的MAC地址为源地址进行主机帧的封装。当此ARP的响应的数据帧被从主机C发出到达交换机后，交换又把此ARP响应帧的源MAC地址即00-01-02-03-04-CC与交换的端口G0/0/3进行绑定并记录到交换机中，此时交换机中有了两条表项。

交换机学习完源MAC地址后还需要把此ARP响应的数据帧转发出去，交换机查看此帧的目的MAC地址与交换机地址表的表项1中的MAC地址一致，交换机就把ARP的响应的数据帧从端口G0/0/1转发出去。自此基本上就把交换机的整个工作原理讲解完了，即包括交换机的地址学习，又包括交换的转发方式。当然交换机学习到MAC地址表项不会永久存在交换机。每次新学习到MAC地址后交换机就把此表项的老化时间修改为最大（一般情况下是30S），定时器就从最大值重新倒计时。若超30S内没有新的源MAC是00-01-02-03-04-AA数据帧从端口G0、0/1进入。定时器的计数倒计为0，后此表项就被从交换机中删除。

二、交换机的三个主要功能

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。

(资料图片仅供参考)

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产生，同时允许存在后备路径。

三、交换机的工作特性

1.交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。

2.交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播（惟一的例外是在配有VLAN的环境中）。

3.交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备（此处所述交换机仅指传统的二层交换设备）。

四、交换机的分类

依照交换机处理帧时不同的操作模式，主要可分为两类：

存储转发：交换机在转发之前必须接收整个帧，并进行错误校检，如无错误再将这一帧发往目的地址。帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。

直通式：交换机只要检查到帧头中所包含的目的地址就立即转发该帧，而无需等待帧全部的被接收，也不进行错误校验。由于以太网帧头的长度总是固定的，因此帧通过交换机的转发时延也保持不变。