【考点5】掌握交换机的功能及基本应用

【知识梳理】

交换机的英文名为Switch，也叫多端口网桥。交换机工作在OS参考模型中的第二层即数据链路层，用于连接终端设备，如计算机及网络打印机等，也可以连接两个或两个以上的局域网，组成更大的网络。

1.工作原理

交换机根据所接收帧的源MAC地址构造转发表，根据所接收帧的目的地址进行过滤和转发操作，相当于一个多端口的网桥，可以在同一时刻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。

2.主要功能

（1）地址学习：将每一端口相连设备的MAC地址同相应端口映射起来，构成MAC地址表存放在交换机的缓存中。

（2）转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中映射时，它被转发到连接目的地结点端口，而不是所有端口。如果交换机收到的数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。另外，广播帧和组播帧也向所有的端口转发。

（3）消除回路：通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

交换机连接的设备依然在一个广播域中，当交换机收到广播数据包时，会在所有的设备中进行传播，在一些情况下会形成广播风暴，导致网络拥塞以及安全隐患。

3.交换方式

（1）直通式：直通方式中交换机在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。

（2）存储-转发式：存储-转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。

（3）碎片隔离：这是介于前两者之间的一种解决方案。

4.分类（从网络覆盖范围划分）

（1）广域网交换机。

（2）局域网交换机。

①根据传输介质和传输速度划分。

a.以太网交换机：指带宽在100Mbps以下的以太网所用交换机。

b.快速以太网交换机：指在普通双绞线或者光纤上实现100Mbps传输带宽的交换机。

c.千兆（G位）以太网交换机：用于千兆以太网中，带宽可以达到1000Mbps，一般用于大型网络的骨干网段，所采用的传输介质有光纤、双绞线两种，对应的接口为“SC和“RJ-45两种。

d.10千兆（10G位）以太网交换机：主要是为了适应当今10千兆以太网的接入，也称之为“10G以太网交换机”，一般用于骨干网段上，采用的传输介质为光纤，其接口方式也就相应为光纤接口。其价格非常昂贵（一般要2～9万美元不等），目前使用不普遍。

e.FDDI交换机：光纤接口交换机，FDDI技术是指光纤分布式数据接口。

f.ATM交换机：广泛用于电信、邮政网的主干网段，因此其交换机产品在市场上很少看到。它的传输介质一般采用光纤，接口类型同样一般有两种——以太网RJ-45接口和光纤接口，这两种接口适合与不同类型的网络互联。

②根据交换机工作的协议层划分。网络设备都是对应工作在OSI/RM这一开放模型的一定层次上的，工作的层次越高，说明其设备的技术性越高，性能也越好，档次也就越高。交换机也一样，随着交换技术的发展，交换机由原来工作在OSI/RM的第二层，发展到现在有可以工作在第四层的交换机的出现，所以根据工作的协议层交换机可分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机。

③根据是否支持网管功能划分。可分为“网管型”和“非网管型”两大类。

5.应用（堆叠与级联）

堆叠主要在大型网络中对端口需求比较大的情况下使用。交换机的堆叠是扩展端口最快捷、最便利的方式，同时堆叠后的带宽是单一交换机端口速率的几十倍。

级联是最常见的连接方式，就是使用网线将两个交换机进行连接。通过级联可以延长网络的距离，但连接的结果是，它们仍然各自工作，仍然是两个独立的交换机。需要注意的是，交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。另外，级联基本上不受设备的限制，不同厂家的设备可以任意级联。

6.交换机与集线器的异同

集线器采用的是共享带宽的工作方式。简单打个比方，集线器就好比一条单行道，“10Mbps”的带宽分给多个端口使用，当一个端口占用了大部分带宽后，另外的端口就会显得很慢。交换机是一个独享的通道，它能确保每个端口使用的带宽如有一个16端口100Mbps的以太网交换机，如果每个端口都同时工作，它的总带宽是16×100=1600Mbps。

由于交换机比集线器有着明显的优势，目前集线器已基本在市场中绝迹了。