交换机和路由器工作原理（不讲废话快速了解）

猫爪巴

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分类专栏：网络数通基础文章标签：智能路由器网络

于 2025-01-13 14:05:21 首次发布

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交换机

交换机是网络中的一种设备，它工作在OSI模型的数据链路层，主要负责在终端用户之间进行数据帧的交换。交换机通过学习网络中设备的MAC地址（所有的网络设备都有一个唯一的MAC地址，通常是由厂商直接烧录进网卡中），并将这些地址与相应的端口映射起来，形成一个MAC地址表。当交换机收到一个数据帧时，它会根据数据帧中的目的MAC地址，查找MAC地址表，决定数据帧的转发路径。

交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥；

在园区网络中，交换机一般来说是距离终端用户最近的设备，接入层的交换机一般为二层交换机，又称为以太网交换机，二层是指TCP/IP模型的数据链路层。

作用

交换机的功能是连接计算机、服务器、网络打印机、网络摄像头、IP电话等终端设备，并实现与其它交换机、无线接入点、路由器、网络防火墙等网络设备的互联，从而构建局域网络，实现所有设备之间的通信。

工作原理

当交换机从其某个端口收到一个数据包时，先读取包头中的源MAC地址（即发送该数据包的设备网卡的MAC地址），将该MAC地址和端口对应起来添加到交换机内存里的地址表中；

然后再读取包头中的目的MAC地址，对照内存里的地址表看该MAC地址与哪个端口对应，如果地址表中有该MAC地址的对应端口，则将该数据包直接复制到对应的端口上，如果没有找到，则将该数据帧作为一个广播帧发送到所有的端口，对应的MAC地址设备会自动接受该帧数据，同时，交换机将接受该帧数据的端口与这个目的MAC地址对应起来放入内存中的地址表中。

交换机处理数据帧的过程包括以下几个步骤：

学习（Learning）：当交换机接收到数据帧时，它会记录数据帧源MAC地址和接收端口的对应关系，并将这些信息存储在MAC地址表中。这个过程称为学习。
泛洪（Flooding）：如果交换机在MAC地址表中找不到数据帧的目的MAC地址，它会将数据帧发送到除源端口外的所有端口，这个过程称为泛洪。泛洪是交换机处理未知目的MAC地址的一种机制。
转发（Forwarding）：当交换机在MAC地址表中找到与数据帧目的MAC地址匹配的端口时，它会将数据帧仅转发到该端口。这样可以减少网络上不必要的数据流量。
过滤（Filtering）：在转发过程中，交换机会阻止数据帧发送到无关的端口，这个过程称为过滤。过滤可以提高网络的效率和安全性。
老化（Aging）：交换机的MAC地址表不是永久的，表中的地址条目会随着时间老化并最终从表中删除。如果在一定时间内（通常是300秒），交换机没有收到某个MAC地址的数据帧，那么这个地址就会从MAC地址表中移除。

路由器

路由器是网络中不可或缺的设备，是实现网络互连设备，工作在网络层，它负责在不同网络之间转发数据包，确保数据能够通过最佳路径传输到目的地。路由器的工作原理涉及到路由选择和数据包转发两个关键过程。

路由器的功能：路由和转发

可以决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径（host到host之间的最佳传输路径），这个过程称为路由；
将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端（在路由器内部进行），这称为转发。

作用

实现同类型网络或异种网络之间的通信
隔离广播域
维护路由表（Routing Table）
运行路由协议路径（路由信息）选择
IP报文转发广域网接入
网络地址转换
连接通过交换机组建的二层网络

工作原理

路由器是一种三层设备，是使用IP地址寻址，实现从源IP到达目标IP地址的端到端的服务，其工作原理就是根据路由表转发数据，详细过程如下：

①路由器接收到数据包，提取目标IP地址及子网掩码计算目标网络地址，根据目标网络地址查找路由表，如果找到目标网络地址就按照相应的出口发送到下一个路由器

②如果没有找到，就需要查看有没有默认路由，如果有就按照默认路由的出口发送给下一个路由器，如果没有找到就给源IP发送一个出错ICMP数据包表明没法传递该数据包

③如果是直连路由就按照第二层MAC地址发送给目标站点

路由表和转发表

每个路由器中都有一个路由表和FIB(Forward Information Base)表：路由表用来决策路由，FIB用来转发分组。

路由表：这里个表都用来保存路由信息，路由表通常由路由协议和路由管理模块维护，包括更多的信息（IP地址/IP子网、下一跳、路由度量、超时间等）；
路由表中路由有三类：
（1）链路层协议发现的路由（即是直连路由）
（2）静态路由
（3）动态路由协议发现的路由。

转发表（FIB）：是基于路由生成的，路由器实际转发时使用转发表（只包括IP地址/IP子网和下一跳/出接口）；
转发表中每条转发项都指明分组到某个网段或者某个主机应该通过路由器的那个物理接口发送，然后就可以到达该路径的下一个路由器，或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。
高性能路由器转发表通常都用硬件来实现，有利于高速查找。

好了，以上就是交换机和路由器工作原理，如果有错误，欢迎批评指正，感谢。