18、以太网交换机
截至到上一节的内容，我们几乎已经把局域网的数据链路层的知识学完了。接下来这一节，介绍工作在数据链路层的网络设备——交换机，并且用cisco packet tracer 6 模拟器来演示它的特点。
交换机是一种可以工作在数据链路层、网络层甚至更高层的网络设备，工作在数据链路层的称为二层交换机，工作在网络层称为三层交换机。
在进行网络项目建设的时候，用于大量用户接入的一般就是二层交换机，用于流量汇聚和负责高速转发数据的，就用三层交换机。但是这并不意味着三层交换机不能做用于接入，只是三层交换机只用来做普通用户接入的话，成本就比较高，如果资金非常充足，用性能高的三层交换机做用户接入完全可以。
这一节，我们主要学习的是二层交换机中最主流的以太网交换机，当然也有像ATM交换机、帧中继交换机，这些都属于二层的交换机，但是以太网交换机是应用最广泛和最普遍的。
交换机的工作原理
以太网交换机毕竟是工作在数据链路层的设备，比集线器这个物理层的设备要高一级。集线器只是简单地把多台主机连接到一起，当其中一台主机A想要给另外一台主机B发送数据的时候，先发送给中心节点集线器，而集线器就会把这个数据发送给除了A的所有主机。
归根到底，是因为集线器是物理层的设备，因为物理层的设备是看不到数据帧里面的内容的，也就是集线器根本不知道每个数据帧的目的地址是谁、源地址是谁。
交换机不一样，交换机是二层的设备，它收到数据帧之后可以看到这个帧的内容，可以知道这个帧的目的MAC地址和源MAC地址，相当于就知道了这个帧是从哪来的，要发到哪去。
交换机内部存储有一张表格，专业用语叫做“CAM表”。不过为了便于理解，我们可以形象地把这张表格理解成是一种“MAC-端口映射表”，里面记录了交换机和每个主机互相连接的端口编号和对应主机的MAC地址，通过查找这张表格，交换机就会知道该把数据帧从自己的哪个端口发出去，送给相应的主机。
MAC地址学习机制
刚才我们说了，交换机内部有一张MAC和端口的对应表，通过这张表可以把数据帧精准的发送到目的地。而当安装了一台新的交换机开始工作的时候，这台交换机里面的表是空的，这就意味着一个新交换机是一个什么都不知道的小白，如果有主机向这台小白交换机发送了一个数据帧，那小白也不知道该往哪个端口发出去，它只能向所有端口发出去。
看完上面这个过程，和集线器有点像，但是它们在本质上是不同的，因为在上述过程中，小白交换机自动的干了一件事，就是学习源MAC地址，把这个帧的源MAC地址和收到这个帧的端口编号记录在自己的表上，这样做的目的就是为了以后再收到目的地址是这个的时候，直接从相应端口转发出去。
现在，我用cisco packet tracer软件搭建一个环境，有个直观地感受：
在我搭建的这个虚拟环境中，四台主机连接到了一台以太网交换机上，交换机的Fa0/1端口连接到了主机PC0，Fa0/2端口连接到了主机PC1，Fa0/3端口连接到了主机PC2，Fa0/4端口连接到了主机PC3。（Fa指的是FastEthernet，也就是快速以太网，简单了解一下）。
现在，这台交换机是一台刚上架的新交换机，MAC-端口映射表是空的。比如，当PC0给PC3发送一个数据帧，这时候交换机就会把这个帧向所有端口转发出去，同时它也记住了PC0的MAC地址与Fa0/1端口的对映，如下图：
交换机把这个数据帧向除了Fa0/1的所有端口转发出去了，但是最终只有PC3会收到并回复，因为PC1和PC2收到以后，一对比帧的目的MAC地址不是自己，就会把数据丢弃了。
当PC3收到数据后，会给PC0回复一个确认，PC3把确认消息发到交换机，这时候交换机不是小白了，一看这个消息的目的MAC地址是PC0，交换机已经知道PC0的MAC地址了，所以直接把这个确认消息从自己的Fa0/1端口发出去，就能到达PC0。
下图为PC3给PC0回复确认，交换机直接转给PC0，不会向其他端口转发：
冲突域和广播域
前面我们讲过，总线型的以太网，以及用集线器作为中心节点的星型以太网，都属于“共享式以太网”。
共享式以太网的特点就是：比如这个网络有10台主机组成，整个网络的带宽是10M，这10M带宽的网络资源由这10台主机来共享，那么每台主机实际分得的带宽就是1M。
如果用交换机来组建一个星型拓扑的以太网，就不一样了，这种叫做“交换式以太网”，同样的情况下，用一台交换机来连接10台主机，总带宽也是10M的条件下，由于交换机的工作机制，这10M是由每台主机独享的，每台主机都能享受到10M的带宽。
现在可以来介绍冲突域和广播域的概念了。
冲突域指的是：网络上如果有两台主机同时通信时会发生冲突的范围大小；广播域指的是：网络上有一台主机同时向这个网络上所有的主机发送数据，这个数据能被广播到的范围。
根据集线器和交换机的工作原理和特性，从狭义上来讲，集线器的所有端口都处在同一个冲突域和同一个广播域。交换机的所有端口都处在同一个广播域，而每个端口都是一个独立的冲突域。
比如说，8台主机连接到一个集线器上，那么这8台主机就组成了同一个广播域、同一个冲突域；如果是8台主机连接到一个交换机上，那么这个环境下，总共就会有一个广播域、八个冲突域。
刚才是从狭义上来讲，也就是集线器作为物理层设备的代表，交换机作为链路层设备的代表，做了一下比较，现在我们可以把这个知识点抽象和提炼一般特征，从广义角度来看就是：
| 物理层设备 | 不分割冲突域、不分割广播域，设备所有端口都处在同一个广播域和冲突域 |
| 链路层设备 | 分割冲突域、不分割广播域，设备所有端口都处在同一个广播域，有几个端口就有几个冲突域 |
总的来说，这一节的内容很多，但是并不难，主要是理解，交换机作为现在主流的网络设备，一定要认真理解。当然，交换机的功能远不止我介绍的这些，关于它更高级的功能和特性，我们以后会单独开一个专门讲解路由交换技术的专栏。
参考教材：罗拥军《网络设备配置基础》