交换机的工作原理
交换机的工作原理
一、交换机的工作原理
1、交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。
2、交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。
3、如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪(flood)。
4、广播帧和组播帧向所有的端口转发。
二、交换机的三个主要功能
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。
三、交换机的工作特性
1、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。
2、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)。
3、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)。
四、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。
五、二、三、四层交换机
多种理解的说法：
二层交换(也称为桥接)是基于硬件的桥接。基于每个末端站点的`唯一MAC地址转发数据包。二层交换的高性能可以产生增加各子网主机数量的网络设计。其仍然有桥接所具有的特性和限制。
三层交换是基于硬件的路由选择。路由器和第三层交换机对数据包交换操作的主要区别在于物理上的实施。
四层交换的简单定义是：不仅基于MAC(第二层桥接)或源/目的地IP地址(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。其使网络在决定路由时能够区分应用。能够基于具体应用对数据流进行优先级划分。它为基于策略的服务质量技术提供了更加细化的解决方案。提供了一种可以区分应用类型的方法。
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数据帧接收和解析：
当交换机接收到一个数据帧时，它会首先对数据帧进行解析，这个过程是通过检查数据帧中的特定字段来实现的。
解析的目的是提取出数据帧中的关键信息，特别是源MAC地址和目的MAC地址。
转发表的更新：
交换机内部维护着一个转发表（MAC地址表），这个表记录了MAC地址与接口的对应关系。
当交换机接收到一个新的数据帧时，它会根据数据帧中的源MAC地址更新转发表，将该地址与接收该数据帧的接口进行关联。这个过程是学习过程的一部分。
数据帧的转发：
一旦交换机接收到一个数据帧并更新了转发表，它就会开始根据转发表中的记录来决定将数据帧转发到哪个端口。
如果目的MAC地址在转发表中有记录，交换机会直接将数据帧从对应的端口转发出去；如果目的MAC地址在转发表中没有记录，交换机会将数据帧广播到所有接口上，以便找到目的设备。
泛洪处理：
当交换机无法确定目的MAC地址对应的接口时，它会采用泛洪处理方式，即将数据帧广播到所有接口上。这是一种快速且有效的方式，能帮助交换机找到目的设备。
维护连接：
交换机还具备一些维护连接的功能，如定期检查连接状态，并尝试重新建立有问题的连接。此外，交换机还支持一些协议，如生成树协议(STP)，用于优化网络结构和避免环路。
分类和应用场景：
交换机有不同的类型，如传统交换机、三层交换机、无线交换机、数据中心交换机等，它们根据应用场景的不同，具备不同的功能和特点。
其他功能：
除了上述基本功能外，交换机还可以实现数据包过滤、广播域分割、增加网络带宽等功能，以满足网络管理的各种需求。
综上所述，交换机的工作原理是通过接收和解析数据帧来更新转发表，然后根据转发表中的记录将数据帧转发到目的地。同时，交换机还具备泛洪处理和连接维护等功能，以确保网络通信的可靠性和稳定性。随着技术的发展，交换机的工作原理和技术也在不断创新和进步，以适应不断增长的网络需求。
