计算机网络 交换机工作原理

计算机网络交换机工作原理

在前面了解到根据交换机在OSI参考模型中工作的协议层不同，将交换机分为二层交换机、三层交换机、四层交换机。交换机工作的协议层不同，其工作原理也不相同。下面我们将介绍各层交换机的工作原理。

1．二层交换机工作原理

二层交换机能够识别数据包中的MAC地址信息，然后根据MAC地址进行数据包的转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在内部的地址列表中。二层交换机的工作原理如下：当交换机从端口收到数据包后，首先分析数据包头中的源MAC地址和目的MAC地址，并找出源MAC地址对应的交换机端口。然后，从MAC地址表中查找目的MAC地址对应的交换机端口。

如果MAC地址表中存在目的MAC地址的对应端口，则将数据包直接发送到该对应端口。如果MAC地址表中没有与目的MAC地址的对应端口，则将数据包广播到交换机所有端口，待目的计算机对源计算机回应时，交换机学习目的MAC地址与端口的对应关系，并将该对应关系添加至MAC地址表中。

这样，当下次再向该MAC地址传送数据时，就不需要向所有端口广播数据。并且，通过不断重复上面的过程，交换机能够学习到网络内的MAC地址信息，建立并维护自己内部的MAC地址表。如图6-10所示，为二层交换机工作原理示意图。

图6-10 二层交换机工作原理

2．三层交换机工作原理

三层交换机是在二层交换机的基础上增加了三层路由模块，能够工作于OSI参考模型的网络层，实现多个网段之间的数据传输。三层交换机既可以完成数据交换功能，又可以完成数据路由功能。其工作原理如下：

当三层交换机接收到某个信息源的第一个数据包时，交换机将对该数据包进行分析，并判断数据包中的目的IP地址与源IP地址是否在同一网段内。如果两个IP地址属于同一网段，

三层交换机会通过二层交换模块直接对数据包进行转发；如果两个IP地址分属不同网段，三层交换机会将该数据包交给三层路由模块进行路由。

当三层路由模块接收到数据包后，首先在其内部路由表中查看该数据包的目的IP地址与目的MAC地址是否存在对应关系。如果存在两者的对应关系，则将数据包转回二层交换模块进行转发。如果不存在两者的对应关系，三层路由模块会再对数据包进行路由处理后，将该数据包的MAC地址与IP地址映射记录添加至内部路由表中，然后将数据包转回二层交换模块进行转发。

这样一来，当该信息源的后续数据包再次进入三层交换机时，交换机能够根据第一次生成并保存的MAC地址与IP地址映射表，直接从二层由源地址转发到目的地址，而不需要再经过三层路由模块处理。实现了“一次路由、多次交换”，从而消除了路由选择时造成的网络延迟，提高了数据包的转发效率，解决了不同网段间传输信息时产生的网络瓶颈。如图6-11所示，为三层交换机工作原理示意图。

图6-11 三层交换机工作原理

3．四层交换机工作原理

四层交换机通过分析数据包包头来获取端口号（Port Number），并以此为依据来判断该数据包的应用业务（如HTTP、FTP等）。其工作原理如下：

四层交换机在工作中会为支持不同应用的服务器组设立虚拟IP地址，并且在网络的域名服务器（DNS）中并不存储应用服务器的真实地址，而是每项应用的服务器组所对应的虚拟IP地址。当用户发出应用申请时，四层交换机会从该项应用的服务器组中选择最佳服务器，并将数据包目的地址中的虚拟IP地址改为最佳服务器的真实IP地址，然后通过三层交换模块将该连接请求传给该服务器。这样，数据包即可在用户和同一服务器间进行传输。