了解交换机

互推小编 2023-06-02

交换机，是一种常用的网络设备，是组网必不可少的设备之一。

上个世纪九十年代，局域网交换设备出现。随后，交换设备开始普及。中国技术界在引入交换设备的时候，并没有按照交换机原来的英文单词“Switch”直译为开关，而是译作“交换”，这个“交换”专指电信技术的信号交换，通俗易懂。

52口交换机（48网口，4光口）

交换机，可以理解为是一种交换集线器，是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包的网络设备。

目前我们常见的交换机，组成和原理上基本一致。

组合交换机

交换机拥有一条高带宽的背板总线，所有的端口都挂接在背板总线，再通过交换机内部的交换矩阵，完成信号交换。

当交换机接入网络，完成加电后，交换机内部的控制电路会收到通过端口传来的数据帧，学习到MAC地址，并将其存放在内部地址表中，并确定目的MAC地址的网卡挂接在哪个端口上，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，数据帧便可直接由源地址到达目的地址。

若是交换机找不到目的MAC或是目的MAC不存在，交换机会广播到所有的端口，在接收端口回应后，交换机学习到新的MAC地址，并添加到内部地址表中。

堆叠型交换机

因此，交换机首要的功能便是“学习”，交换机要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的MAC地址表。

其次，交换机要完成信号交换，本身还要具备转发、过滤的功能，当数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，会被转发到连接目的节点的端口；若数据帧是广播帧或是组播帧，则会被转发至所有端口。

交换机还有着消除回路的功能，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。

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP），是一种工作在OSI七层模型中的第二层数据链路层的协议。

STP协议，通过协商阻断一些交换机端口，以确保网络中所有目的地之间只有一条逻辑路径，构建一颗没有环路的转发树。当一个端口阻止流量进入或离开时，该端口便视为处于阻塞状态，但是STP协议用来防止环路的网桥协议数据单元（BPDU）帧仍可通行。

在多台交换机组成的网络中，STP协议工作，首先要进行根网桥的选举。交换机之间，依据网桥优先级（bridge priority）和MAC地址（交换机的MAC地址）组合生成的桥ID（Bridge ID，BID），选举桥ID最小的交换机为网络中的根桥（bridge root）。

桥ID（BID）

根桥选举完成后，其余的交换机就成了非根桥。非根桥交换机要选举出到根桥的根路径，STP协议通过计算每个端口到根桥的路径代价Cost值，最低Cost值的就是根路径，与之对应的端口就是根端口。

对于根桥交换机，它的所有端口都是指定端口（designated port，DP），会转发数据。而对于非根桥交换机，确定根端口以后，还必须将剩余端口配置为指定端口或非指定端口（non-designated port，non-DP），完成逻辑无环生成树。交换网络中的每个网段都只能有一个指定端口。

STP协议的各类端口

在根路径确认以后，非根桥交换机的指定端口状态为forwarding（转发），可以进行数据转发，非指定端口状态为blocking（阻塞），作为备份路径。

一般来说，我们所说的交换机都默认是用于局域网交换的二层交换机。二层交换机的“二层”是指OSI七层模型中的第二层数据链路层，这类交换机是基于MAC地址工作。

还有三层交换机，“三层”是指OSI七层模型中的第三层网络层（IP层），基于IP地址和协议进行交换，同时也包含二层交换机的功能。

四层交换机，“四层”是指OSI七层模型中的第四层传输层，在二、三层的基础上，包含四层交换功能，根据数据帧的协议端口信息进行目标端口的确认。

七层交换机，“七层”是指OSI七层模型中的第七层应用层，因此这一类交换机也叫作应用型交换机，一般只有在大型的互联网数据中心才能见到。这一类交换机，数据包的转发不仅仅依据MAC地址（二层交换）或是源/目标IP地址（第三层路由）以及依据TCP/UDP端口（第四层地址），还包括了数据内容，更加智能化。

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