网络交换机的工作原理(以太网交换机工作原理)

如果你知道mac和IP地址概念，那么用“交换机工作原理”作关键字，去看知道或文库都有相应的介绍，如果不清楚哪就比较麻烦。 先这样理解：mac就好像人的指纹（或者声波、虹膜等原始唯一特征），无论计算机在哪儿上网mac都不会变；ip则是对外身份证明，就像身份证，入了某国的国籍就要换。也就是说在家里上网和在公司上网你的ip是不同的，而一旦入互联网（段），这次的身份证却是唯一的（和别人不同）。上网相当于一个人入世，不上网的计算机就是一个山野人士，登不登记身份无所谓。再说一下通讯中mac和ip的应用过程。首先，网络访问通常是有目标的，就是知道目标ip是什么，这是由用户确定的目标，但用户很难知道（也不需要知道）目标的mac。当访问请求发出后（其信息中包含了自己的mac、ip和目标ip，但目标mac空白），如果目标存在则会根据访问者提供的源IP产生回应，并告知访问者自己的mac，同时也会记住访问者的mac。访问者收到回应后也就记住了目标的mac，之后的通讯地址中都会首先包含完整的ip和mac信息。讨论交换机之前必须先说一下集线器，集线器也是将若干台电脑捏到一起的设备。你可以想象成一个大杂院，大家都不出门而是通过一根管子通话，各家各户的管子都接到了一个通讯室中（即相互之间不能直接通话），且有一个人负责传话（转发）。通话第一步是要让传话人知道我要和谁通话，即告知传话人目标mac和ip，当然传话人也不知道这个目标mac或ip是谁（很笨），传话人会向所有管道喊这个指纹（第一次是身份证）是谁的？没人回答则失败，有则完成本次转发。注意转发过程中，传话人会堵上其他所有的管子（只留两个），也就是说此时其他人只能闭嘴。在专业术语中，这样一个网络环境叫做一个冲突域，也就是一对用户通讯时，其他用户等待。交换机则相当于通讯室中有足够多的人负责传话工作，当传话人1负责甲、乙两个用户通讯时，传话人2可以（在同一时刻）负责丙、丁两个用户的通讯，当然此时其他用户不能和这四个用户通讯，也就是说交换机的每一个端口是一个冲突域。由于首次通讯交换机不知道目标mac，所以交换机依然会采用广播方式询问所有端口（广播时禁止其他通讯），一旦得到响应后，交换机会记住该mac对应的端口，后续通讯则不再需要广播（除非mac被清除）。因此，专业术语中交换机形成的网络称为广播域。 以上是最简单的交换说明，想成为专业人士就要去找专业文章，很多东西不是一堂课能说清楚的。
1、交换机的定义 局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。为了实现交换机之间的互连或与高档服务器的连接，局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口，如100MB以太网端口、FDDI端口或155MBATM端口，从而保证整个网络的传输性能。2、交换机的特性通过集线器共享局域网的用户不仅是共享带宽，而且是竞争带宽。可能由于个别用户需要更多的带宽而导致其他用户的可用带宽相对减少，甚至被迫等待，因而也就耽误了通信和信息处理。利用交换机的网络微分段技术，可以将一个大型的共享式局域网的用户分成许多独立的网段，减少竞争带宽的用户数量，增加每个用户的可用带宽，从而缓解共享网络的拥挤状况。由于交换机可以将信息迅速而直接地送到目的地能大大提高速度和带宽，能保护用户以前在介质方面的投资，并提供良好的可扩展性，因此交换机不但是网桥的理想替代物，而且是集线器的理想替代物。与网桥和集线器相比，交换机从下面几方面改进了性能：（1）通过支持并行通信，提高了交换机的信息吞吐量。（2）将传统的一个大局域网上的用户分成若干工作组，每个端口连接一台设备或连接一个工作组，有效地解决拥挤现像。这种方法人们称之为网络微分段（Micro一segmentation）技术。（3）虚拟网（VirtuaILAN）技术的出现，给交换机的使用和管理带来了更大的灵活性。我们将在后面专门介绍虚拟网。（4）端口密度可以与集线器相媲美,一般的网络系统都是有一个或几个服务器，而绝大部分都是普通的客户机。客户机都需要访问服务器，这样就导致服务器的通信和事务处理能力成为整个网络性能好坏的关键。交换机就主要从提高连接服务器的端口的速率以及相应的帧缓冲区的大小，来提高整个网络的性能，从而满足用户的要求。一些高档的交换机还采用全双工技术进一步提高端口的带宽。以前的网络设备基本上都是采用半双工的工作方式，即当一台主机发送数据包的时候，它就不能接收数据包，当接收数据包的时候，就不能发送数据包。由于采用全双工技术，即主机在发送数据包的同时，还可以接收数据包，普通的10M端口就可以变成20M端口，普通的100M端口就可以变成200M端口，这样就进一步提高了信息吞吐量。3、交换机的工作原理传统的交换机本质上是具有流量控制能力的多端口网桥，即传统的（二层）交换机。把路由技术引入交换机，可以完成网络层路由选择，故称为三层交换，这是交换机的新进展。交换机（二层交换）的工作原理交换机和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。所有端口由专用处理器进行控制，并经过控制管理总线转发信息。同时可以用专门的网管软件进行集中管理。除此之外，交换机为了提高数据交换的速度和效率，一般支持多种方式。（1）存储转发：所有常规网桥都使用这种方法。它们在将数据帧发柱其他端口之前，要把收到的帧完全存储在内部的存储器中，对其检验后再发往其他端口，这样其延时等于接收一个完整的数据帧的时间及处理时间的总和。如果级联很长时，会导致严重的性能问题，但这种方法可以过滤掉错误的数据帧。（2）切入法：这种方法只检验数据帧的目标地址，这使得数据帧几乎马上就可以传出去，从而大大降低延时。其缺点是：错误帧也会被传出去。错误帧的概率较小的情况下，可以采用切入法以提高传输速度。而错误帧的概率较大的情况下，可以采用存储转发法／以减少错误帧的重传。4、交换机的配置我们下面以Cisco公司的Catlystl900交换机为例，介绍交换机的一般配置过程。对一台新的Catlystl900交换机，使用它的缺省配置就可以工作了。这因为它是一种将软件装在FlashMemory中的硬件设备，当加电时，它首先要进行一系列自检，对所有端口进行测试之后，交换机就处于工作状态。这时它的交换表是空的，它可以通过自学习来了解各个端口的设备连接情况，并将设备的MAC地址记录在交换表中，当有信息交换时，交换机就根据交换表来进行数据转发。但为了便于对它进行网络管理，Catlystl900交换机自己有一个MAC地址，这样就可以为它分配一个IP地址和屏蔽码。网络管理员须通过交换机的串口接一台终端或仿真终端，才能为它指定一个IP地址，其缺省值是0．0．0．0。指定IP地址以后，网络管理员就可以通过网络进行远程管理了。Catlystl900交换机的配置界面是菜单形式，缺省配置下，它的所有端口都属于同一个VLAN，很多情况下都不需要作什么修改。（1）将微机串口通过RS一232电缆与Cata1yst1900的Console口连接，运行仿真终端软件，Catalyst1900启动后。（2）回车后，进入主菜单。（3）按“S”键，进入系统配置菜单：（配置系统名，位置，日期）。（4）在主菜单中按“N”键进入网络管理菜单。（5）配置IP地置。（6）配置SNMP参数。5、交换机的种类交换机是数据链路层设备，它可将多个物理LAN网段连接到一个大型网络上，与网络类似交换机传输和溢出也是基于MAC地址的传输。由于交换机是用硬件实现的，因此，传输速度很快。传输数据包时，交换机要么使用存储---转发交换方式，要么使用断---通交换方式。目前有许多类型的交换机，其中包括ATM交换机，LAN交换机和不同类型的WAN交换机。ATM交换机ATM（AsynchronousTransferMode）交换机为工作组，企业网络中枢以及其它众多领域提供了高速交换信息和可伸缩带宽的能力。ATM交换机支持语音，视频和文本数据应用，并可用来交换固定长度的信息单位（有时也称元素）。企业网络是通过ATM中枢链路连接多个LAN组成的。局域网交换机LAN交换机用于多LAN网段的相互连接，它在网络设备之间进行专用的无冲突的通信，同时支持多个设备间的对话。LAN交换机主要是用于高速交换数据帧。通过LAN交换机将一个0Mbps以太网与一个100Mbps以太网互联。作者：doorsir 来源：赛迪网技术社区
二层交换机工作在数据链路层，主要用于转发数据帧，基于MAC地址表进行寻址，具体工作过程如下：（1）首次寻找局域网某台计算机MAC地址，会以广播包的形式在链路上转发；该广播包中包含发送端的MAC地址。（2）接收端收到该信息后，记录发送端MAC地址，并回复自身MAC地址信息；（3）交换机记录MAC地址，再次发送同样MAC地址时查询MAC地址表，匹配到信息后发送单播包。三层交换机工作在网络层，其技术原理包含：二层交换技术＋三层转发技术，具体工作过程如下：（1）假设两个使用IP协议的站点A、B通过三层交换机进行通信，发送站点A在数据发送前，将自己的IP地址与B站的IP地址进行比较，判断B站是否与自己在同一子网内。（2）若目的站B与发送站A在同一子网内，则进行二层的转发。若两个站点不在同一子网内，如发送站A要与目的站B通信，发送站A就需要向三层交换模块发出ARP请求，当发送站A对三层交换模块广播出一个ARP请求时,如果三层交换模块在以前的通信过程中已经知道B站的MAC地址,则向发送站A回复B的MAC地址；否则三层交换模块会根据路由信息向B站广播一个ARP请求，B站得到ARP请求后向三层交换模块回复其MAC地址，三层交换模块保存地址并回复给发送站A，同时将B站的MAC地址发送到二层引擎的MAC地址表中。此后，A向B发送的数据包便全部交给二层交换处理，能够更好地实现信息高速转发。
简单来说，每台接交换机的计算机（或类似设备），都会把mac地址告诉交换机，交换机记着哪个口来的mac地址，然后记录在一个叫fabric表里，这个表就是MAC地址和端口的对应表。 交换机就是根据每个帧的目的MAC地址（这个目的MAC地址，是通过上一层路由设备的ARP询问而得到的），找到哪个端口把数据转发出去。

工作原理： 1、地址表端口地址表记录了端口下包含主机的MAC地址，端口地址表是交换机上电后自动建立的，保存在RAM中，并且自动维护。交换机隔离冲突域的原理是根据其端口表和转发决策决定的。2、转发决策交换机的转发决策有三种操作：丢弃、转发和扩散。丢弃：当本端口下的主机访问已知本端口下的主机丢弃。转发：当口端口下的主机访问已知端口下的主机时转发。扩散：当某端口下的主机访问未知端口下的主机时要扩散。 每个操作都要记录下发包的MAC期，以备其他主机的访问。

交换机也叫交换式集线器，它通过对信息进行重新生成，并经过内部处理后转发至指定端口，具备自动寻址能力和交换作用，由于交换机根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从源端口送至目的端口，避免了和其他端口发生碰撞。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。交换机的工作原理 在计算机网络系统中，交换机是针对共享工作模式的弱点而推出的。集线器是采用共享工作模式的代表，如果把集线器比作一个邮递员，那么这个邮递员是个不认识字的“傻瓜”--要他去送信，他不知道直接根据信件上的地址将信件送给收信人，只会拿着信分发给所有的人，然后让接收的人根据地址信息来判断是不是自己的!而交换机则是一个“聪明”的邮递员--交换机拥有一条高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，当控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口。目的MAC若不存在，交换机才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。 可见，交换机在收到某个网卡发过来的“信件”时，会根据上面的地址信息，以及自己掌握的“常住居民户口簿”快速将信件送到收信人的手中。万一收信人的地址不在“户口簿”上，交换机才会像集线器一样将信分发给所有的人，然后从中找到收信人。而找到收信人之后，交换机会立刻将这个人的信息登记到“户口簿”上，这样以后再为该客户服务时，就可以迅速将信件送达了。
交换机中有一张MAC地址转发表，记录了MAC地址和交换机端口的对应关系，一个端口可以对应多个MAC地址，但一个MAC地址不能对应多个端口。这就使得交换机具备多级级联的能力，每个交换机在转发报文的时候只需要知道这个目的MAC可以从我的哪一个端口到达就行了，然后就把帧往这个端口发，至于后面的设备怎么处理他并不关心。就这样一级一级转发，知道电脑的网卡实际连接的交换机把帧发到网卡以后，网卡一看目的MAC就是自己，然后就解封装，交由三层协议栈进行处理。
交换机，英文名称为“switch”，译为开关，是一种网络连接时不可缺少的设备，用于电/光信号的转发，可按照两端网络节点传输信息的需要，将所需传送的信息送至相应的路由上。常见的有以太网交换机、电话语音交换机、光纤交换机等等。交换机根据其工作位置的不同可分为广域网交换机和局域网交换机，其中，广域网交换机主要用于提供通信用基础平台，而局域网交换机与要用于连接终端设备。除此之外，交换机还可根据其传输介质、传输速度的不同分为以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机等等，根据其应用规模的不同分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机。

基本工作原理：交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接，其中局域网交换机的二层交换是执行桥接功能，根据MAC地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。三层交换根据IP地址转发数据，具有路由功能。低交换延迟是局域网交换机的主要特点。从传输延迟的量级来看，如果交换机为几十微秒，则网桥为几百微秒，路由器为几千微秒；支持不同的传输速率和工作模式；高传输宽带；支持虚拟局域网服务。交换局域网是虚拟局域网的基础，当前的交换机基本上都只持虚拟局域网。扩展资料：交换机的内部结构1、共享式存储器结构，这种方式容易实现，但需要很大的内存容量，很高的管理费用。且由于访问储存器需要时间，不可能在较大的端口数之间实现线速交换，因此比较适合于小系统交换机。2、交叉总线结构，这种结构适合单点传输，对于多点传输存在一定的问题。3、混合交叉总线结构，将一体的交叉总线矩阵划分成小的交叉矩阵，中间通过一条高性能的总线连接。优点是减少了交叉总线数，降低了成本，还减少了总线争用。4、环形总线结构，用于搜集总线状态、处理路由、流量控制和清理数据总线。环形总线结构的最大优点是扩展能力强，成本低，因为采用环形结构，很容易聚集带宽，当端口数增加的时候，带宽就相应增加。参考资料来源：百度百科-局域网交换机
结点A向结点B发送信息,1,如果A与B通过集线器连到交换机的一个端口上,则A向B发送信息时通过检查"端口号/MAC地址映射表"发现A与B在同一个端口上,则丢弃该帧.2,如果A,B连接不同的端口,首先A把目的地址(B结点的地址)加入到"端口号/MAC地址映射表"中比较,如果B地址在表中,则由路由器建立A到B的连接,(注,这样的连接可以建立多个),如果发现B的地址不在"端口号/MAC地址映射表"中,则路由器向除A端口处的其它结点发送消息,当结点B了出应答或发送数据后,就由路由器建立A到B的连接,并将所得到的信息添加到"端口号/MAC地址映射表"中,此后便可以进行数据交换了!!!! 我理解的工作原理即工作流程,各位大侠多多指点!!!
在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。我们以前介绍过的HUB　集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。 交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。以太网交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后以太网交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。使用以太网交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。交换机在同一时刻可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，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该以太网交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。 总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。以太网交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过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，使数据帧直接由源地址到达目的地址。
交换式局域网的核心设备是局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。典型的交换式局域网是交换式以太网（switchedEthernet），它的核心部件是以太网交换机（Ethernetswitch）。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与一个共享介质式的以太网集线器连接。1.局域网交换机的分类：按照所执行的功能不同，局域网交换机可以分为两种。（1）二层交换：执行桥接功能，是根据MAC地址转发数据，交换速度快，但控制功能弱，没有路由选择功能。（2）三层交换：是根据IP地址转发数据，具有路由功能。三层交换是二层交换与路由功能的有机组合。
交换机的工作原理和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。所有端口由专用处理器进行控制，并经过控制管理总线转发信息。

原理 工作在数据链路层，交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可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，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过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，使数据帧直接由源地址到达目的地址。