交換機的概念以及工作原理

什麼是交換機？

Switch 意為“交換機”，是一種用於轉發電 ( 光 ) 訊號的網路裝置。它可以為訪問交換機的任意兩個網路節點提供專用的電訊號路徑。非常常見的 是乙太網交換機。其他常見的有電話語音交換機、光纖交換機等。

 

它的工作原理是什麼？

交換機工作在 OSI 參考模型的第二層，即資料鏈路層。當每個埠連線成功後，交換機內部的 CPU 會將 MAC 地址與埠進行匹配，形成 MAC 表。在以後的通訊中，定址到這個 MAC 地址的資料包只會傳送到它對應的埠，而不是所有的埠。因此，交換機可以用來劃分資料鏈路層廣播，也就是衝突域；但它不能劃分網路層廣播，也就是廣播域。

 

該交換機具有高頻寬後端匯流排和內部交換矩陣。交換機的所有埠都連線到此備用匯流排。控制電路接收到資料包後，處理埠會在記憶體中查詢地址對照表，確定目的 MAC 的 NIC( 網路卡的硬體地址 ) 附著在哪個埠，透過內部交換矩陣快速將資料包傳輸到目的埠。如果目的 MAC 不存在，它將被廣播到所有埠。接收埠響應後，交換機將“學習”新的 MAC 地址，並將其新增到內部 MAC 地址表中。交換機也可以“分割”網路。透過比較 IP 地址表，交換機僅允許必要的網路流量透過交換機。透過交換機的過濾轉發，可以有效減少衝突域。

 

①埠

交換機可以同時在多個埠對之間傳輸資料。每個埠都可以看作一個獨立的物理網段 ( 注 : 非 IP 網段 ) ，與之相連的網路裝置可以自己享用所有頻寬，不與其他裝置競爭。當節點 A 向節點 D 傳送資料時，節點 B 可以同時向節點 C 傳送資料，兩次傳輸都享受網路的全部頻寬，並且有自己的虛擬連線。如果這裡使用的是 10Mbps 的乙太網交換機，此時交換機的總流量等於 2 × 10Mbps=20Mbps ，而使用 10Mbps 的共享集線器時，一個集線器的總流量不會超過 10Mbps 。總之，交換機是一種基於 MAC 地址標識的網路裝置，可以完成封裝和轉發資料幀的功能。交換機可以“學習” MAC 地址，並將其儲存在內部地址表中。透過在資料幀的發起者和目標接收者之間建立臨時交換路徑，資料幀可以從源地址直接到達目的地址。

 

②資料傳輸的工作原理

交換機的任一節點收到資料傳輸指令後，快速查詢記憶體中儲存的地址表，從而確定 MAC 地址的網路卡連線位置，然後將資料傳輸到該節點。如果在地址表中找到相應的位置，則進行傳輸；如果沒有，交換機將記錄該地址以供下次搜尋和使用。一般交換機只需要向相應的點傳送幀，而不需要像 hub 一樣傳送到所有節點，這樣就節省了資源和時間，提高了資料傳輸速率。

 

③資料傳輸方式

透過交換的資料傳輸，其實就是交換機的資料傳輸方式。過去，集線器用於共享資料，因此無法請求通訊速度。集線器的共享模式，也稱共享網路，使用集線器作為連線裝置，只有一個方向的資料流，所以網路共享的效率很低。相對來說，交換機可以識別連線到自己的電腦，透過每臺電腦網路卡的實體地址來記憶和識別，也就是通常所說的 MAC 地址。在這個前提下，不需要搜尋廣播，而是透過一個臨時的專用資料傳輸通道，直接找到儲存的 MAC 地址到相應的地方，完成兩個節點之間無外界干擾的資料傳輸的通訊。由於交換機也具有全雙工傳輸模式，所以透過同時在多對節點之間建立臨時專用通道，也可以形成立體交叉的資料傳輸通道結構。

 

它分為幾類？

概括地說，有兩種型別的網路交換機 : 廣域網交換機和區域網交換機。廣域網主要應用於電信領域，為通訊提供基礎平臺。區域網交換機在區域網中用於連線終端裝置，如 PC 和網路印表機。按傳輸介質和傳輸速度可分為乙太網交換機、快速乙太網交換機、千兆乙太網交換機、 FDDI 交換機、 ATM 交換機和令牌環網交換機。從規模應用來看，可以分為企業交換機、部門交換機和工作組交換機。各廠商劃分的規模並不完全一致。一般來說，企業級交換機是機架式的，部門級交換機可以是機架式的 ( 插槽數少 ) 或者固定配置的，工作組級交換機是固定配置的 ( 功能更簡單 ) 。另一方面，從應用規模來看，作為骨幹交換機，支援 500 個資訊點以上大型企業的交換機是企業級交換機，支援 300 個資訊點以下中型企業的是部門級交換機，支援 100 個資訊點以下的是工作組級交換機。

 

①   乙太網交換機 :

隨著計算機及其互聯技術 ( 即所謂的“網路技術” ) 的飛速發展，乙太網已成為迄今為止普及率很高的短距離二層計算機網路。乙太網的核心部件是乙太網交換機。

 

無論是手動交換還是程控交換，都是為了傳輸語音訊號，需要專線的是“電路交換”。乙太網是計算機網路，需要傳輸資料，所以採用“分組交換”。但是，無論採用哪種交換方式，交換機在兩點之間提供“獨佔訪問”的特性都不會改變。就乙太網裝置而言，交換機和集線器的本質區別在於 : 當 A 向 B 傳送訊息時，如果經過集線器，所有訪問集線器的網路節點都會收到這條訊息 ( 即以廣播的形式傳送 ) ，但網路卡會在硬體層面過濾掉沒有傳送到本機的訊息；但如果經過交換機，除非 A 通知交換機廣播，否則永遠收不到 C 傳送給 B 的資訊 ( 除非獲得交換機控制權對其進行監控 ) 。

 

乙太網交換機廠商根據市場需求推出了三層甚至四層交換機。但其核心功能仍然是第二層的乙太網分組交換，但具有一定的處理 IP 層甚至更高層分組的能力。網路交換機是一種擴充套件網路的裝置，它可以為子網提供更多的連線埠，以便連線更多的計算機。隨著通訊行業的發展和國民經濟資訊化的推進，網路交換機市場正在穩步上升。它具有高價效比、高靈活性、相對簡單和易於實現的特點。

 

②光網路交換機 :

光交換是人們正在開發的下一代交換技術。所有開關技術都基於電訊號。甚至光纖開關都是先把光訊號轉換成電訊號，再切換回另一根光纖。由於光電轉換率低，且電路的處理速度有物理瓶頸，人們希望設計一種沒有光電轉換的“光開關”。其內部不是電路而是光路，邏輯元件不是開關電路而是開關光路。這將大大提高交換機的處理速度。