交换机原理

在计算机网络中，交换概念的提出是对传统共享工作模式的改进。如集线器（Hub）是一种物理层共享设备，Hub本身不能识别数据包的目的地址，当集线器接收到数据包时，它以广播的方式播送到各个端口，由每一台主机通过验证数据包的目的地址来决定是否接收。如图1所示。

交换机（Switch）是一种数据链路层设备，它的内部程序可以检查收到的数据包的目的地址，并从内存中的MAC地址表中查得目的设备所在的端口，通过内部交换机构迅速将数据包传送到目的端口。只有当目的MAC不存在时，才将数据广播到所有端口。如图2所示。

图1 共享式局域网图2 交换式局域网

一、MAC地址表

MAC地址表是交换的基础，由于它来源于网桥，所以又称网桥表。它用来记录各个设备是连接在交换机的哪个端口上的，这样，当交换机收到数据包后，才能够决定应该向何处转发。如图3所示。

图3 MAC地址表

为了看得清楚，在图中我把MAC地址用主机的符号代替了，实际的MAC地址是一个48位二进制数。

1、交换机的转发过程

交换机收到一个数据帧时，查MAC地址表，如果目的端与源端不在一个端口上，则把帧从目的端口转发出去；如果目的端与源端在同一端口，说明该帧无需转发，则丢弃该帧。

如A主机向D主机发送数据，当数据帧到达交换机时，它在MAC地址表中查找主机D的MAC地址，发现它所在端口号为2，而数据来源的端口号为1，则交换机将数据帧从端口2转发出去。再如A主机向B主机发送数据，交换机查看MAC地址表后发现源和目的在同一端口上，说明该帧已经通过其它路径到达了B 主机，不需转发，故此丢弃该帧。

2、MAC地址表的构建过程

MAC地址表存放在交换机的内存之中，在最初时，它完全是空的，交换机是通过自学习过程在工作中自动构建MAC地址表的，这个过程无需人工干预。

每当交换机收到一个数据帧时，先在MAC地址表中查找源地址，如果没有找到，则把它及所在的端口记录在MAC地址表中。再查找目的地址，如果有，则转发或丢弃，如果没有，则广播到所有端口。

这样，交换机在工作过程中就把MAC地址表逐渐建立起来了。只要一个工作站发送过数据，它所对应的端口就会被记录下来，供今后转发时使用。

3、MAC地址表的维护

MAC地址表的维护也由交换机自动进行。交换机会定期扫描MAC地址表，发现在一定时间内（默认为300秒）没有出现的MAC地址，就把它从MAC地址表中删除。这样即便发生了工作站的移动、拆除等问题，交换机始终能把握网络最新的拓扑结构。

4、MAC地址表的容量

MAC地址表的容量用可存储的MAC地址数表示，是交换机的一项参数。一般的交换机可存储1024个以上的MAC地址，这对于一般网络就够用了，如果网络规模很大，选购交换机时应注意一下它可存储的MAC 地址数。

例：网络拓扑和某时刻MAC地址表情况如图4所示，当依次出现如下各种传输时，交换机是如何处理的？MAC地址表如何变化？

图4

① A向D发送帧；② C向D发送帧；③ D向F发送帧；④ A向B发送帧。

解：① A向D发送帧：在MAC地址表中查找A的MAC地址，没有找到，把A的MAC地址与所在端口号1添加到MAC地址表中；在MAC地址表中查找D的MAC地址，找到端口号为2，与源端口不同，则从端口2转发数据。

② C向D发送帧：在MAC地址表中查找C的MAC地址，没有找到，把C的MAC地址与所在端口号2添加到MAC地址表中；在MAC地址表中查找D的MAC地址，找到端口号为2，与源端口相同，则丢弃数据包。

③ D向F发送帧：在MAC地址表中查找D的MAC地址，找到端口号为2；在MAC地址表中查找F的MAC 地址，没有找到，则把数据包广播到各端口。

④ A向B发送帧：在MAC地址表中查找A的MAC地址，找到端口号为1；在MAC地址表中查找B的MAC 地址，找到端口号也为1，两端口相同，则丢弃数据包。

完成后，MAC地址表为：

图5

二、交换机的交换方式

交换机通常有3种交换方式。

1、直通式（Cut Through）：

当输入端口检测到一个数据包时，就检查该包的包头，根据包内的目的地址把数据包直通到相应端口。

优点：这种方式不需要等数据包接收完就开始转发，交换速度快，延迟非常小。

缺点：不提供错误检测服务，有可能将出错的数据包转发出去。也不提供缓存，不能将速率不同的端口直接接通，而且容易丢包。

2、存储转发式（Store & Forward）：

这种方式先将数据包完整的接收下来，经过CRC检查，如果数据包没有错误，再根据地址进行转发。

优点：提供错误检测服务，改善了网络性能。支持速度不同的端口的转发服务，可以保证高速端口与低速端口间协同工作。

缺点：传输延时较大，而且需要较大的缓存容量。

3、碎片隔离式（Fragment Free）：

它检查数据包的长度是否够64个字节，若小于64字节，说明是废包，进行丢弃，若大于64字节，则发送该包。

这种方式可保证碰撞碎片不在网络中传播，提高了网络效率，它的数据处理速度介于直通式和存储转发式之间。多用于低端交换机产品。

低端交换机产品一般只具有一种交换方式，有些高端交换机产品具有两种交换方式，并且可以根据网络环境自动选择交换方式。

三、交换机的工作模式

1、半双工模式（Half duplex）：

在一个端口上，同一时刻只能发送数据或接收数据。也即发送和接收不能同时进行。

2、全双工模式（Full duplex）：

在一个端口上，同一时刻可同时进行数据的发送和接收。

交换机与设备之间一般是用双绞线或光纤进行连接的；双绞线一般有8根线芯，2根用于发送数据，2根用于接收数据；光纤一般也是采用多芯光纤，有的用于发送，有的用于接收。所以，从理论上讲网络具有全双工传送的能力。但在共享式网络中，发送数据时，主机还必须监听碰撞信号，所以共享式网络只能工作在半双工模式；而交换式网络采用点对点的通信，不需要再监听碰撞信号，所以才能工作于全双工模式，如图6所示。全双工模式相当于将网络带宽提高了一倍。