原標(biāo)題：交換機(jī)工作原理

交換機(jī)是一種用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能為接入交換機(jī)的任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電信號(hào)通路，以下從基本概念、工作過程、關(guān)鍵技術(shù)等方面詳細(xì)介紹其工作原理：

基本概念

交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層（部分三層交換機(jī)可工作在網(wǎng)絡(luò)層），它通過學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的MAC（媒體訪問控制）地址來建立和維護(hù)一個(gè)MAC地址表，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)發(fā)。MAC地址是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一硬件標(biāo)識(shí)，就像設(shè)備的身份證號(hào)。

工作過程

1. MAC地址學(xué)習(xí)

• 當(dāng)交換機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它的MAC地址表是空的。當(dāng)有數(shù)據(jù)幀進(jìn)入交換機(jī)的某個(gè)端口時(shí)，交換機(jī)會(huì)檢查數(shù)據(jù)幀的源MAC地址和進(jìn)入的端口號(hào)，并將它們記錄到MAC地址表中。例如，一臺(tái)主機(jī)A（MAC地址為00-11-22-33-44-55）通過交換機(jī)的1號(hào)端口發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機(jī)就會(huì)將主機(jī)A的MAC地址和1號(hào)端口對(duì)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(jìn)入，且源MAC地址已存在于地址表中，交換機(jī)就會(huì)更新該地址對(duì)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(huì)新增一條記錄。

2. 數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)

• 單播轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)交換機(jī)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，它會(huì)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(duì)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(jìn)入的端口，交換機(jī)就會(huì)將數(shù)據(jù)幀從對(duì)應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。例如，主機(jī)B（MAC地址為00-66-77-88-99-00）要給主機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)，交換機(jī)在MAC地址表中查到主機(jī)A的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口是1號(hào)端口，就會(huì)將數(shù)據(jù)幀從1號(hào)端口轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)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(jī)在MAC地址表中找不到目的MAC地址對(duì)應(yīng)的端口，就會(huì)將數(shù)據(jù)幀從除了進(jìn)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(jī)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(jī)收到后會(huì)將該數(shù)據(jù)幀從除了進(jìn)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(duì)于組播數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)會(huì)根據(jù)組播地址表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。組播地址表記錄了組播地址和對(duì)應(yīng)的端口集合，當(dāng)收到組播數(shù)據(jù)幀時(shí)，交換機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)幀從組播地址表中對(duì)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(huì)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(gè)問題，交換機(jī)采用了生成樹協(xié)議（STP）等機(jī)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(shí)保留一條或多條備份路徑。當(dāng)主路徑出現(xiàn)故障時(shí)，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(gè)有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，生成樹協(xié)議會(huì)計(jì)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(dāng)主路徑上的某個(gè)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，被阻塞的端口會(huì)重新啟用，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

關(guān)鍵技術(shù)

1. 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 交換機(jī)在接收到完整的數(shù)據(jù)幀后，會(huì)先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，檢查數(shù)據(jù)幀是否有錯(cuò)誤。如果數(shù)據(jù)幀正確，就根據(jù)目的MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；如果數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)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(zhǔn)確性，但會(huì)增加一定的轉(zhuǎn)發(fā)延遲。

2. 直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 交換機(jī)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(jìn)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(huì)轉(zhuǎn)發(fā)一些錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀，因?yàn)樗鼪]有對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行完整性校驗(yàn)。

3. 無碎片轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

• 這是存儲(chǔ)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(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀的前64字節(jié)后，就進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)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(zhǔn)確性，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)延遲也比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)小。

不同類型交換機(jī)工作原理特點(diǎn)