交换机的结构特点及主要功能

什么是交换机？
Switch 意为“交换机”，是一种用于转发电 ( 光 ) 信号的网络设备。它可以为访问交换机的任意两个网络节点提供专用的电信号路径。非常常见的 是以太网交换机。其他常见的有电话语音交换机、光纤交换机等。

它的工作原理是什么？
交换机工作在 OSI 参考模型的第二层，即数据链路层。当每个端口连接成功后，交换机内部的 CPU 会将 MAC 地址与端口进行匹配，形成 MAC 表。在以后的通信中，寻址到这个 MAC 地址的数据包只会发送到它对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可以用来划分数据链路层广播，也就是冲突域；但它不能划分网络层广播，也就是广播域。

该交换机具有高带宽后端总线和内部交换矩阵。交换机的所有端口都连接到此备用总线。控制电路接收到数据包后，处理端口会在内存中查找地址对照表，确定目的 MAC 的 NIC( 网卡的硬件地址 ) 附着在哪个端口，通过内部交换矩阵快速将数据包传输到目的端口。如果目的 MAC 不存在，它将被广播到所有端口。接收端口响应后，交换机将“学习”新的 MAC 地址，并将其添加到内部 MAC 地址表中。交换机也可以“分割”网络。通过比较 IP 地址表，交换机仅允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤转发，可以有效减少冲突域。

端口 :
交换机可以同时在多个端口对之间传输数据。每个端口都可以看作一个独立的物理网段 ( 注 : 非 IP 网段 ) ，与之相连的网络设备可以自己享用所有带宽，不与其他设备竞争。当节点 A 向节点 D 发送数据时，节点 B 可以同时向节点 C 发送数据，两次传输都享受网络的全部带宽，并且有自己的虚拟连接。如果这里使用的是 10Mbps 的以太网交换机，此时交换机的总流量等于 2 × 10Mbps=20Mbps ，而使用 10Mbps 的共享集线器时，一个集线器的总流量不会超过 10Mbps 。总之，交换机是一种基于 MAC 地址标识的网络设备，可以完成封装和转发数据帧的功能。交换机可以“学习” MAC 地址，并将其存储在内部地址表中。通过在数据帧的发起者和目标接收者之间建立临时交换路径，数据帧可以从源地址直接到达目的地址。

数据传输的工作原理 :
交换机的任一节点收到数据传输指令后，快速查找内存中存储的地址表，从而确定 MAC 地址的网卡连接位置，然后将数据传输到该节点。如果在地址表中找到相应的位置，则进行传输；如果没有，交换机将记录该地址以供下次搜索和使用。一般交换机只需要向相应的点发送帧，而不需要像 hub 一样发送到所有节点，这样就节省了资源和时间，提高了数据传输速率。

数据传输方式 :
通过交换的数据传输，其实就是交换机的数据传输方式。过去，集线器用于共享数据，因此无法请求通信速度。集线器的共享模式，也称共享网络，使用集线器作为连接设备，只有一个方向的数据流，所以网络共享的效率很低。相对来说，交换机可以识别连接到自己的电脑，通过每台电脑网卡的物理地址来记忆和识别，也就是通常所说的 MAC 地址。在这个前提下，不需要搜索广播，而是通过一个临时的专用数据传输信道，直接找到存储的 MAC 地址到相应的地方，完成两个节点之间无外界干扰的数据传输的通信。由于交换机也具有全双工传输模式，所以通过同时在多对节点之间建立临时专用通道，也可以形成立体交叉的数据传输通道结构。

它分为几类？
概括地说，有两种类型的网络交换机 : 广域网交换机和局域网交换机。广域网主要应用于电信领域，为通信提供基础平台。局域网交换机在局域网中用于连接终端设备，如 PC 和网络打印机。按传输介质和传输速度可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、 FDDI 交换机、 ATM 交换机和令牌环网交换机。从规模应用来看，可以分为企业交换机、部门交换机和工作组交换机。各厂商划分的规模并不完全一致。一般来说，企业级交换机是机架式的，部门级交换机可以是机架式的 ( 插槽数少 ) 或者固定配置的，工作组级交换机是固定配置的 ( 功能更简单 ) 。另一方面，从应用规模来看，作为骨干交换机，支持 500 个信息点以上大型企业的交换机是企业级交换机，支持 300 个信息点以下中型企业的是部门级交换机，支持 100 个信息点以下的是工作组级交换机。

以太网交换机 :
随着计算机及其互联技术 ( 即“网络技术” ) 的飞速发展，以太网已成为迄今为止普及率很高的短距离二层计算机网络。以太网的核心部件是以太网交换机。

无论是手动交换还是程控交换，都是为了传输语音信号，需要专线的是“电路交换”。以太网是计算机网络，需要传输数据，所以采用“分组交换”。但是，无论采用哪种交换方式，交换机在两点之间提供“独占访问”的特性都不会改变。就以以太网设备而言，交换机和集线器的本质区别在于 : 当 A 向 B 发送消息时，如果经过集线器，所有访问集线器的网络节点都会收到这条消息 ( 即以广播的形式发送 ) ，但网卡会在硬件层面过滤掉没有发送到本机的消息；但如果经过交换机，除非 A 通知交换机广播，否则永远收不到 C 发送给 B 的信息 ( 除非获得交换机控制权对其进行监控 ) 。

以太网交换机厂商根据市场需求推出了三层甚至四层交换机。但其核心功能仍然是第二层的以太网分组交换，但具有一定的处理 IP 层甚至更高层分组的能力。网络交换机是一种扩展网络的设备，它可以为子网提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。随着通信行业的发展和国民经济信息化的推进，网络交换机市场正在稳步上升。它具有高性价比、高灵活性、相对简单和易于实现的特点。

光网络交换机 :
光交换是人们正在开发的下一代交换技术。所有开关技术都基于电信号。甚至光纤开关都是先把光信号转换成电信号，再切换回另一根光纤。由于光电转换率低，且电路的处理速度有物理瓶颈，人们希望设计一种没有光电转换的“光开关”。其内部不是电路而是光路，逻辑元件不是开关电路而是开关光路。这将大大提高交换机的处理速度。