30. 交换机的工作原理

交换机的工作原理

交换机的工作原理可以详细说明如下：

• 工作层次
  • 交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。它主要通过物理地址（MAC地址）来识别和转发数据包。
• MAC地址学习
  • 交换机具有学习功能。当一个数据包到达交换机时，交换机会检查数据包中的源MAC地址。
  • 如果该源MAC地址已存在于交换机的MAC地址表中，交换机会更新该记录的时间戳，表示该设备仍然活跃。
  • 如果源MAC地址不在表中，交换机会将该MAC地址与接收到该数据包的端口关联，并将其添加到MAC地址表中。
• 数据包转发
  • 当交换机收到一个数据包时，它会检查目标MAC地址，并在MAC地址表中查找与该地址关联的端口。
  • 如果目标MAC地址在MAC地址表中，交换机会将数据包转发到相应的端口。
  • 如果目标MAC地址不在表中，交换机会广播数据包到所有端口（除了接收端口），这就是所谓的“泛洪”或“查询”功能。
• 防止环路
  • 为了防止网络中出现环路现象（数据包在网络中不断循环，导致网络拥塞和数据丢失），交换机实现了STP（生成树协议）。
  • STP协议通过选举一个根交换机以及计算各个交换机之间的最短路径，从而构建出一个无环的拓扑结构。
• 数据链路层操作
  • 交换机为接入的任意两个网络节点提供独享的电信号通路，从而隔离冲突域。每个端口都可以同时进行数据的发送和接收，不会发生碰撞。
• 速度和带宽
  • 交换机具有高速转发数据包的能力，支持不同的传输速率（如10Mbps、100Mbps、1Gbps等）。
  • 交换机还可以实现端口的聚合，将多个端口绑定成一个逻辑接口，提供更大的带宽。
• 虚拟局域网（VLAN）支持
  • 交换机支持VLAN的划分，可以将不同的端口划分到不同的VLAN中，实现逻辑隔离和安全性。
• MAC地址表维护
  • MAC地址表是交换机自动学习和维护的，通常交换机默认每300秒刷新一次MAC地址表，以确保地址表的准确性。

        总结来说，交换机的工作原理是基于MAC地址进行数据转发，通过学习源MAC地址建立和维护MAC地址表，实现局域网内的高效数据传输。同时，交换机通过STP协议防止网络环路，支持VLAN划分，提供高速的数据转发能力和更大的带宽。

        交换机的转发原理主要涉及到数据包的接收、解析、查找、转发以及学习过程。以下是交换机转发原理的详细解释：

1. 数据包接收：当一个数据包到达交换机的输入端口时，首先会被交换机接收。
2. 帧解封：交换机对接收到的数据包进行帧解封，即从封装的物理层帧中提取出数据包的内容，这通常包括源MAC地址和目标MAC地址等信息。
3. 查找转发表：交换机内部有一个转发表（也称为MAC地址表或端口地址表），它记录了端口和MAC地址的对应关系。当交换机收到数据包时，会查找这个转发表，以确定数据包应该转发到哪个端口。如果转发表中有对应的条目，则将数据包发送到指定的端口；如果没有对应的条目，则进入下一步操作。
4. 学习：当交换机收到一个数据包，并且转发表中没有对应的条目时，交换机会进行数据包的源MAC地址学习。交换机会将数据包的源MAC地址和接收到这个数据包的端口添加到转发表中。这个过程被称为学习。通过学习，交换机能够逐渐建立起端口和MAC地址的对应关系，从而提高转发的效率。
5. 转发：当交换机确定数据包应该转发到哪个端口时，它会将数据包转发到指定的端口。这个过程被称为转发。转发通常使用硬件实现，速度较快。
6. 更新转发表：当数据包被成功转发到目标端口后，交换机会更新转发表中的对应条目。这样，下次有相同的包到达时，交换机就可以直接根据转发表进行转发，提高转发的效率。

        此外，交换机在转发数据包时，还会根据转发技术的不同而有所差异。目前交换机的转发技术主要有三种：

• 存储转发（Store-and-Forward）：这种方式是将到达输入端口的一个完整数据包先缓存起来，再检查数据包是否有传输错误，若无，则取出目的MAC地址，通过查表转发到相应的输出端口。优点是可进行CRC错误检测，不会转发错误包，还可以丢弃碎片，支持不同速度端口间的转发。缺点是数据包经过交换机的时延较大。
• 直通转发（Cut-through）：一旦在输入端口提取出到达数据包的目的MAC地址（通常只需接收并检查14个字节）后，就立即把该数据包直通到相应的输入端口，不需要存储。优点是延迟小、交换速度快。缺点是不具有差错校验功能，可能将坏包转发到网络上，且无法将具有不同速率的输入端口和输出端口直接接通，容易丢包。
• 无碎片转发（Fragment Free）：在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（以太帧的最小规定长度）。如果小于64字节，则丢弃该包；如果大于64字节，则转发该包。该方式的时延介于存储转发方式和直通转发方式之间，由于能够避免碎片帧的转发，可在很大程度上提高网络传输速率。

        总结来说，交换机的转发原理是基于MAC地址的学习、查找和转发过程，同时结合不同的转发技术，以实现高效、准确的数据传输。