原標題：交換機工作原理

交換機是一種用于電（光）信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能為接入交換機的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供獨享的電信號通路，以下從基本概念、工作過程、關(guān)鍵技術(shù)等方面詳細介紹其工作原理：

基本概念

交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層（部分三層交換機可工作在網(wǎng)絡(luò)層），它通過學習網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的MAC（媒體訪問控制）地址來建立和維護一個MAC地址表，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準轉(zhuǎn)發(fā)。MAC地址是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一硬件標識，就像設(shè)備的身份證號。

工作過程

1. MAC地址學習

• 當交換機啟動時，它的MAC地址表是空的。當有數(shù)據(jù)幀進入交換機的某個端口時，交換機會檢查數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和進入的端口號，并將它們記錄到MAC地址表中。例如，一臺主機A（MAC地址為00-11-22-33-44-55）通過交換機的1號端口發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機就會將主機A的MAC地址和1號端口對應(yīng)起來，記錄到MAC地址表中。

• 后續(xù)如果有其他數(shù)據(jù)幀從該端口進入，且源MAC地址已存在于地址表中，交換機就會更新該地址對應(yīng)的端口信息（如果端口有變化）或保持記錄不變；如果源MAC地址不存在于地址表中，就會新增一條記錄。

2. 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)

• 單播轉(zhuǎn)發(fā)：當交換機收到一個數(shù)據(jù)幀時，它會檢查數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，并在MAC地址表中查找該地址對應(yīng)的端口。如果找到匹配的端口，且該端口不是數(shù)據(jù)幀進入的端口，交換機就會將數(shù)據(jù)幀從對應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，實現(xiàn)點對點的通信。例如，主機B（MAC地址為00-66-77-88-99-00）要給主機A發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機在MAC地址表中查到主機A的MAC地址對應(yīng)的端口是1號端口，就會將數(shù)據(jù)幀從1號端口轉(zhuǎn)發(fā)給主機A。

• 廣播轉(zhuǎn)發(fā)：如果數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是廣播地址（如FF-FF-FF-FF-FF-FF），或者交換機在MAC地址表中找不到目的MAC地址對應(yīng)的端口，就會將數(shù)據(jù)幀從除了進入端口之外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，這種轉(zhuǎn)發(fā)方式稱為泛洪。例如，主機C要給網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備發(fā)送一條通知，它發(fā)送的數(shù)據(jù)幀目的MAC地址是廣播地址，交換機收到后會將該數(shù)據(jù)幀從除了進入端口之外的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備都能收到這條通知。

• 組播轉(zhuǎn)發(fā)：對于組播數(shù)據(jù)幀，交換機會根據(jù)組播地址表進行轉(zhuǎn)發(fā)。組播地址表記錄了組播地址和對應(yīng)的端口集合，當收到組播數(shù)據(jù)幀時，交換機會將數(shù)據(jù)幀從組播地址表中對應(yīng)的端口集合轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3. 避免環(huán)路

• 在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，可能會存在環(huán)路，導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)中無限循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。為了解決這個問題，交換機采用了生成樹協(xié)議（STP）等機制。

• 生成樹協(xié)議通過阻塞某些端口來打破網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)路，同時保留一條或多條備份路徑。當主路徑出現(xiàn)故障時，備份路徑可以迅速啟用，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。例如，在一個有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，生成樹協(xié)議會計算出一條無環(huán)的路徑，并將其他可能導(dǎo)致環(huán)路的端口阻塞，當主路徑上的某個鏈路出現(xiàn)故障時，被阻塞的端口會重新啟用，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

關(guān)鍵技術(shù)

1. 存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 交換機在接收到完整的數(shù)據(jù)幀后，會先對數(shù)據(jù)幀進行校驗，檢查數(shù)據(jù)幀是否有錯誤。如果數(shù)據(jù)幀正確，就根據(jù)目的MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)；如果數(shù)據(jù)幀有錯誤，就丟棄該數(shù)據(jù)幀。這種技術(shù)可以保證轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀的準確性，但會增加一定的轉(zhuǎn)發(fā)延遲。

2. 直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 交換機在接收到數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址后，就立即根據(jù)目的MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，而不需要等待接收到完整的數(shù)據(jù)幀。這種技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲較小，但可能會轉(zhuǎn)發(fā)一些錯誤的數(shù)據(jù)幀，因為它沒有對數(shù)據(jù)幀進行完整性校驗。

3. 無碎片轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 這是存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的一種折中方案。交換機在接收到數(shù)據(jù)幀的前64字節(jié)后，就進行轉(zhuǎn)發(fā)。因為大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)錯誤都發(fā)生在數(shù)據(jù)幀的前64字節(jié)中，所以這種技術(shù)可以在一定程度上保證轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀的準確性，同時轉(zhuǎn)發(fā)延遲也比存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)小。

不同類型交換機工作原理特點