交换机工作原理简述

交换机原理是在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源 MAC 地址和对应的接口到 MAC 表中，接着、会检查自己的 MAC 表中是否有数据帧中目标 MAC 地址的信息，如果有则会根据 MAC 表中记录的对应接口将数据帧发送出去 (也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去 (也就是广播，或者泛洪 Flood)。

一、什么是交换机？

交换机负责连接网络设备 (如交换机、路由器、防火墙、无线 AP 等) 和终端设备 (如计算机、服务器、摄像头、网络打印机等)。

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。

二、交换机工作原理

交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源 MAC 地址和对应的接口到 MAC 表中，接着、会检查自己的 MAC 表中是否有数据帧中目标 MAC 地址的信息，如果有则会根据 MAC 表中记录的对应接口将数据帧发送出去 (也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去 (也就是广播，或者泛洪 Flood)。

三、交换机 MAC 地址表的表项内容

交换机 MAC 表中规定 MAC 类型种类：STATIC 表示静态 MAC 地址，DYNAMIC 表示动态 MAC 地址。

四、交换机 MAC 地址表的构建过程

为快速转发报文，以太网交换机需要建立和维护 MAC 地址表。交换机采用源 MAC 地址学习的方法建立 MAC 地址表。

1. 交换机初始状态

交换机的初始状态 MAC 地址表为空。

2. 地址表源 MAC 地址学习

当计算机 PC1 要发送数据帧给计算机 PC2 时，因此时地址表是空的，交换机将向除 PC1 连接端口 E0/1 以外的其他所有端口转发数据帧。在转发之前，首先检查该数据帧的源 MAC 地址（00-10-B5-4B-30-85），并在交换机的 MAC 地址表中添加一条记录（00-10-B5-4B-30-85，E0/1）使之和端口 E0/1 相对应。

3. 计算机 PC2 接收数据帧

计算机 PC2 收到发送的数据帧后，用该数据帧的目的 MAC 地址和本机的 MAC 地址比较，发现 PC1 找的正是它，则接收该数据帧，其他计算机丢弃数据帧。

计算机 PC2（00-10-B5-4B-30-65）回复 PC1 时，交换机直接从端口 E0/1 转发，并学习到 E0/23 为 PC2 连接的端口，将其添加到地址表中。

交换机的其他端口利用源 MAC 地址学习的方法在 MAC 地址表中不断添加新的 MAC 地址与端口号的对应信息。直到 MAC 地址表添加完整为止。

为了保证 MAC 地址表中的信息能够实时地反映网络情况，每个学习到的记录都有一个老化时间（aging-time，最大停留时间） 。默认的 MAC 地址老化时间为 300 秒（5 分钟）。如果在老化时间内收到地址信息则刷新记录。对没有收到相应的地址信息的则删除该记录。例如，计算机 PC2 停止了和交换机通信，达到老化时间后，交换机会将其对应的记录从 MAC 地址表中删除。

也可以手工添加交换机的 MAC 地址表的静态记录，手工配置的静态记录没有老化时间的限制。由于 MAC 地址表中对于同一个 MAC 地址只能有一条记录，所以如果手工配置了 MAC 地址和端口号对应关系后，交换机就不再动态学习这台计算机的 MAC 地址了。

五、交换机的三个主要功能

1. 学习

以太网交换机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中的 MAC 地址表中。

2. 转发 / 过滤

当一个数据帧的目的地址在 MAC 地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播 / 组播帧则转发至所有端口)。

3. 消除回路

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。

六、交换机的工作特性

交换机的每一个端口所连接的网段都是一个独立的冲突域。

交换机所连接的设备仍然在同一个广播域内，也就是说，交换机不隔绝广播（惟一的例外是在配有 VLAN 的环境中）。

交换机依据帧头的信息进行转发，因此说交换机是工作在数据链路层的网络设备（此处所述交换机仅指传统的二层交换设备）。

七、交换机的分类

依照交换机处理帧时不同的操作模式，主要可分为两类：

存储转发

交换机在转发之前必须接收整个帧，并进行错误校检，如无错误再将这一帧发往目的地址。帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。

直通式

交换机只要检查到帧头中所包含的目的地址就立即转发该帧，而无需等待帧全部的被接收，也不进行错误校验。由于以太网帧头的长度总是固定的，因此帧通过交换机的转发时延也保持不变。

交换机工作原理如下：

• 交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源 MAC 地址和对应的接口到 MAC 表中，接着、会检查自己的 MAC 表中是否有数据帧中目标 MAC 地址的信息，如果有则会根据 MAC 表中记录的对应接口将数据帧发送出去 (也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去 (也就是广播，或者泛洪 Flood)。

交换机的三个主要功能

• 学习：以太网交换机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中的 MAC 地址表中。

• 转发 / 过滤：当一个数据帧的目的地址在 MAC 地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播 / 组播帧则转发至所有端口)。

• 消除回路：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。