本文主要是介绍以太网交换机的通识，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
文章目录
- 前言
- 一、以太网交换机的作用
- 二、交换机的分类
- 2.1 二、三、四层交换机
- 2.2 存储转发和直通式
- 三、交换机的工作原理和流程
- 3.1 二层交换机
- 3.2 三层交换机
前言
在介绍交换机之前，首先要了解的 计算机网络基础 和 什么是MAC地址与IP地址？。如下是OSI七层网络模型的简单介绍：
| 序号 | 名称 | 描述 |
|---|---|---|
| 一层 | 物理层（PHY） | 负责驱动网络上信号的收发器，发送和接受位 。 |
| 二层 | 数据链路层（MAC） | 负责创建在网络上传送的帧，包含mac地址的帧。 |
| 三层 | 网络层（IP） | 负责创建在网络上传送的包，包含IP地址的包。相关协议包括：ICMP IGMP IP（IPV4 IPV6） |
| 四层 | 传输层（TCP/UDP） | 负责不同主机上的应用程序之间建立连接。 |
| 五层 | 会话层 | 用户应用程序与网络的接口 |
| 六层 | 表示层 | |
| 七层 | 应用层 | 应用层是一组需要网络通信的应用程序。 |
一、以太网交换机的作用
首先，这里强烈推荐B站视频：交换机工作原理。为什么需要交换机呢？在以太网中连接在同一介质上的各个节点是共享链路的，也就是各个节点之间争夺链路的使用权时会发生冲突，即这些节点是属于同一个冲突域。而以太网的逻辑拓扑结构是总线型的，采用避免冲突的方式是依据 CSMA/CD 协议，做法时检测到冲突时，网络传输会有一个回退，在这个回退时间内是不发生任何传输的。而同属于一个冲突域的节点越多，发生冲突的概率也就越大。并且退避时间是根据二进制指数算法得到，冲突发生的越多，退避时间越长，从而影响网络的传输效率。至此，通过交换机来转发，将不同节点的冲突域隔离，使得交换机的每个端口就是一个冲突域，如下图所示：
在功能上，以太网交换机的主要的功能就是充当邮递员的角色，将数据包发送到正确的位置，包括有如下：
- 学习：以太网交换机会记录每一个端口上连接设备的mac地址，并将mac地址同端口号形成映射，登记在地址表中；
- 转发/过滤：当一个数据帧的目的MAC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；当目的mac地址在地址表中找不到对应端口映射时，会转发给所有端口（这个过程称为“泛洪”，以广播/组播的方式），直到有端口回应，此时交换机会记录这个目的MAC地址与端口号的对应关系，打到自学习的目的；
- 消除冗余：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。
二、交换机的分类
2.1 二、三、四层交换机
根据交换机工作在OSI网络模型中不同层可以将交换机分为二、三、四层交换机。如下表：
| 名称 | 工作区域 | 原理 | 描述 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 二层交换机 | 数据链路层 | 通过mac地址，实现对同一个子网内可以进行数据交换 | 可以识别数据包中的源MAC地址信息，根据MAC地址转发到对应的目的MAC地址，并将这些源MAC地址和目的MAC地址的端口记录在内部的一个地址表中（MAC映射表） | 数据交换是通过识别MAC地址实现的，速度非常快 | 无法处理大量跨越IP子网的数据包，只能依赖于路由器进行管理。 |
| 三层交换机 | 数据链路层 + 网络层 | 基于IP地址转发数据包，具有VLAN（虚拟局域网）功能 | 对来的数据包进行路由选择，产生一个MAC地址与IP地址的映射表，找到对应的目的IP地址，然后查询MAC地址表，找到这个IP地址的MAC对应信息，再通过二层通信原理将数据包交换。当同样的数据流再次通过时，就无须路由，直接通过二层转发，实现一次路由，多次转发。 | 解决了传统二层交换依赖路由器转发时每次都要路由，效率很低的缺点 | |
| 四层交换机 | 基于端口 | 不仅基于第二层桥接和第三层路由选择，同时也基于TCP/UDP应用端口来做出转发决定的能力，能够基于应用对数据流进行优先级划分 |
下一章节会更加详细介绍二、三层交换机，四层交换机暂略。
2.2 存储转发和直通式
根据交换机收到数据包后不同的操作模式，主要可分为两类：
| 名称 | 描述 |
|---|---|
| 存储转发 | 1）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。 2）帧通过交换机的转发时延随帧长度的不同而变化。 |
| 直通式 | 1）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。 2）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。 3）尽管速度快，但是由于不进行checksum，会转发很多的错误数据包。 |
三、交换机的工作原理和流程
下面主要还是以二、三、四层交换机分类来接绍交换机的工作，四层暂不介绍。
3.1 二层交换机
二层交换机是工作在数据链路层，通过MAC地址对数据包进行转发，同时会将这些MAC地址和对应的端口号记录在一张地址表中。二层交换的步骤如下：
- 假设交换机从端口01收到一个数据包，分别读取数据包中的源MAC地址（00_11）和目标MAC地址（00_22），源MAC地址的所对应的端口号会被记录到地址表中（形成 00_11 --> 01的映射关系）。
- 交换机会根据目的MAC地址（00_22）在地址表中查找对应的端口号。
- 如果表中有这个目的MAC地址对应端口号的记录，那就把这个数据转发到对应的端口。
- 如果表中没有找到这个目的MAC地址对应的端口号，就会把这个数据包广播到所有的端口上，也就跟小蝌蚪找妈妈一样，这个傻儿子（目的MAC地址）是不是你家（端口号）的。当有端口给出回应，交换机会将数据转发到这个端口，并将这个端口与目的MAC地址形成映射，登记在地址表中，完成交换机的学习过程。
- 地址表中的每个表项在建立后开始进行倒计时，每次发送数据都要刷新记时。对于长期不发送数据的主机，其MAC地址的表项在生存期结束时删除。
传统的二层交换机的所有端口都在同一个广播域，但是如果有需求需要同一台主机更换到不同的广播域，又不想重新连线，就在二层交换机的基础上引入了VLAN（虚拟局域网）。如下图VLAN的使用所示：
3.2 三层交换机
在介绍三层交换机之前，我们知道二层交换机无法完成来自不同子网的数据包的转发，必须要通过路由器的路由才行。那么什么是子网？子网的划分是将IP地址与子网掩码按位相与（IP&子网掩码），常用的子网掩码如255.255.255.0（换算为二进制:1111_1111_1111_1111_1111_1111_0000_0000）。IP&子网掩码结果相同的两个IP地址是属于同一个子网的。那么为什么要划分子网，TCP/IP协议规定，不同子网之间是不能直接进行通信的，如果要通信需要通过网关来通信。
所以三层交换机是通过IP地址进行转发，内部通过查表的方式再进行二层转发。三层交换的步骤如下：
- 假设A要给B发送数据，已知目的IP，那么A就用子网掩码取得网络地址，判断目的IP是否与自己在同一网段。
- 如果属于同一子网，但不知道转发数据所需的MAC地址，A就发送一个ARP请求，B返回其MAC地址，A用此MAC地址封装数据包并发送给交换机，交换机利用二层通信，查找MAC地址表，将数据包转发到相应的端口。
- 如果目的IP地址来自不同子网，那么A要实现和B的通讯，在流缓存条目中没有对应MAC地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个缺省网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块。所以可见对于不是同一子网的数据，最先在MAC表中放的是缺省网关的MAC地址；然后就由三层模块接收到此数据包，查询路由表以确定到达B的路由，将构造一个新的帧头，其中以缺省网关的MAC地址为源MAC地址，以主机B的MAC地址为目的MAC地址。通过一定的识别触发机制，确立主机A与B的MAC地址及转发端口的对应关系，并记录进流缓存条目表。
- 当建立了源IP地址和目的IP地址之间的一条通路后，三层交换机在收到该A到B的包时，就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行二层转发。这就通常所说的一次路由、多次转发。
这篇关于以太网交换机的通识的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
