一、交換機基礎
集線器作為第一類廣泛應用的網(wǎng)絡集線設備，當時在各大局域網(wǎng)中應用非常廣泛。但隨著網(wǎng)絡傳輸媒體類型的日益豐富，圖形、圖像及各種流媒體等多媒體內容的出現(xiàn)，人們對高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸性能的要求日益提高。集線器由于它的共享介質傳輸、單工數(shù)據(jù)操作和廣播數(shù)據(jù)發(fā)送方式等都先天決定了很難滿足用戶的上述速度和性能要求。在用戶的需求下、在全球各大網(wǎng)絡設備開發(fā)商的努力下，一種更新、更實用的集線設備－－交換機出現(xiàn)了。交換機完全克服了集線器的上述種種不足之處，所以在短時間內得到業(yè)界廣泛的認可和應用。交換機技術也得到了飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速度的發(fā)展也是一日千里。目前最快的以太網(wǎng)交換機端口帶寬可達到10Gbps，千兆（G位）級的交換機在各企業(yè)骨干網(wǎng)絡中早已得到廣泛應用。
交換機的英文名稱之為“Switch”，它是集線器的升級換代產(chǎn)品，從外觀上來看的話，它與集線器基本上沒有多大區(qū)別，都是帶有多個端口的長方形盒狀體。交換機是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳酚缮系募夹g統(tǒng)稱。廣義的交換機就是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設備。
“交換”和“交換機”最早起源于電話通訊系統(tǒng)（PSTN）。我們以前經(jīng)常在電影或電視中看到一些老的影片時?？吹接腥嗽陔娫挋C旁狂搖幾下（注意不是撥號），然后就說：跟我接XXX，話務接線員接到要求后就會把相應端線頭插在要接端子上，即可通話。其實這就是最原始的電話交換機系統(tǒng)，只不過它是一種人工電話交換系統(tǒng)，不是自動的，也不是我們今天要談的計算機交換機，但是我們現(xiàn)在要講的計算機交換機也就是在這個電話交換機技術上發(fā)展而來。
在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中，交換概念的提出是相對于共享工作模式的改進。我們知道集線器（HUB）是一種共享介質的網(wǎng)絡設備，而且HUB本身不能識別目的地址，是采用廣播方式向所有節(jié)點發(fā)送。即當同一局域網(wǎng)內的A主機給B主機傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)包在以HUB為架構的網(wǎng)絡上是以廣播方式傳輸?shù)模瑢W(wǎng)絡上所有節(jié)點同時發(fā)送同一信息，然后再由每一臺終端通過驗證數(shù)據(jù)包頭的地址信息來確定是否接收。在這種方式下我們知道很容易造成網(wǎng)絡堵塞，因為其實接收數(shù)據(jù)的一般來說只有一個終端節(jié)點，而現(xiàn)在對所有節(jié)點都發(fā)送，那么絕大部分數(shù)據(jù)流量是無效的，這樣就造成整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸效率相當?shù)汀Ａ硪环矫嬗捎谒l(fā)送的數(shù)據(jù)包每個節(jié)點都能偵聽到，那顯然就不會很安全了，容易出現(xiàn)一些不安全因素。
交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在這條背部總線上?？刂齐娐肥盏綌?shù)據(jù)包以后，處理端口會查找內存中的MAC地址（網(wǎng)卡的硬件地址）對照表以確定目的MAC的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣直接將數(shù)據(jù)迅速包傳送到目的節(jié)點，而不是所有節(jié)點，目的MAC若不存在才廣播到所有的端口。這種方式我們可以明顯地看出一方面效率高，不會浪費網(wǎng)絡資源，只是對目的地址發(fā)送數(shù)據(jù)，一般來說不易產(chǎn)生網(wǎng)絡堵塞；另一個方面數(shù)據(jù)傳輸安全，因為它不是對所有節(jié)點都同時發(fā)送，發(fā)送數(shù)據(jù)時其它節(jié)點很難偵聽到所發(fā)送的信息。這也是交換機為什么會很快取代集線器的重要原因之一。
交換機還有一個重要特點就是它不是像集線器一樣每個端口共享帶寬，它的每一端口都是獨享交換機的一部分總帶寬，這樣在速率上對于每個端口來說有了根本的保障。另外，使用交換機也可以把網(wǎng)絡“分段”，通過對照地址表，交換機只允許必要的網(wǎng)絡流量通過交換機，這就是后面將要介紹的VLAN（虛擬局域網(wǎng)）。通過交換機的過濾和轉發(fā)，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現(xiàn)，避免共享沖突。這樣交換機就可以在同一時刻可進行多個節(jié)點對之間的數(shù)據(jù)傳輸，每一節(jié)點都可視為獨立的網(wǎng)段，連接在其上的網(wǎng)絡設備獨自享有固定的一部分帶寬，無須同其他設備競爭使用。如當節(jié)點A向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點B可同時向節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個傳輸都享有帶寬，都有著自己的虛擬連接。打個比方就是，如果現(xiàn)在使用的是10Mbps 8端口以太網(wǎng)交換機，因每個端口都可以同時工作，所以在數(shù)據(jù)流量較大時，那它的總流量可達到8＊10Mbps＝80Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，因為它是屬于共享帶寬式的，所以同一時刻只能允許一個端口進行通信，那數(shù)據(jù)流量再忙HUB的總流通量也不會超出10Mbps。如果是16端口、24端口的更是明顯了！
交換機的主要功能包括物理編址、網(wǎng)絡拓撲結構、錯誤校驗、幀序列以及流量控制。目前一些高檔交換機還具備了一些新的功能，如對VLAN（虛擬局域網(wǎng)）的支持、對鏈路匯聚的支持，甚至有的還具有路由和防火墻的功能。
交換機除了能夠連接同種類型的網(wǎng)絡之外，還可以在不同類型的網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)）之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支持快速以太網(wǎng)或FDDI等的高速連接端口，用于連接網(wǎng)絡中的其它交換機或者為帶寬占用量大的關鍵服務器提供附加帶寬。
一般來說，交換機的每個端口都用來連接一個獨立的網(wǎng)段，但是有時為了提供更快的接入速度，我們可以把一些重要的網(wǎng)絡計算機直接連接到交換機的端口上。這樣，網(wǎng)絡的關鍵服務器和重要用戶就擁有更快的接入速度，支持更大的信息流量。
總之，交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發(fā)數(shù)據(jù)包功能的網(wǎng)絡設備。交換機對于因第一次發(fā)送到目的地址不成功的數(shù)據(jù)包會再次對所有節(jié)點同時發(fā)送，企圖找到這個目的MAC地址，找到后就會把這個地址重新加入到自己的MAC地址列表中，這樣下次再發(fā)送到這個節(jié)點時就不會發(fā)錯。交換機的這種功能就稱之為“MAC地址學習”功能。
二、交換機與集線器的區(qū)別
上面我們講到，交換機最開始是為了解決集線器共享傳輸介質，端口帶寬過窄，容易產(chǎn)生廣播風暴而產(chǎn)生，最初的交換機是工作在OSI／RM開放體系結構中的第二層，所以也稱之為第二層交換機（這一點我們會在下篇介紹交換機的分類時繼續(xù)介紹）。本節(jié)要介紹的是交換機與集線器之間到底有哪些區(qū)別，換句話說也就是交換機到底有哪些優(yōu)點，理解了它們之間的區(qū)別后就能正確理解當前局域網(wǎng)為什么廣泛使用交換機，而非集線器，也便于我們在日后的網(wǎng)絡設備選購中正確地選擇。
交換機與集線器的區(qū)別主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
?。?）在OSI／RM中的工作層次不同
交換機和集線器在OSI／RM開放體系模型中對應的層次就不一樣，集線器是同時工作在第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而交換機至少是工作在第二層，更高級的交換機可以工作在第三層（網(wǎng)絡層）和第四層（傳輸層）。
?。?）交換機的數(shù)據(jù)傳輸方式不同
集線器的數(shù)據(jù)傳輸方式是廣播（broadcast）方式，而交換機的數(shù)據(jù)傳輸是有目的的，數(shù)據(jù)只對目的節(jié)點發(fā)送，只是在自己的MAC地址表中找不到的情況下第一次使用廣播方式發(fā)送，然后因為交換機具有MAC地址學習功能，第二次以后就不再是廣播發(fā)送了，又是有目的的發(fā)送。這樣的好處是數(shù)據(jù)傳輸效率提高，不會出現(xiàn)廣播風暴，在安全性方面也不會出現(xiàn)其它節(jié)點偵聽的現(xiàn)象。具體在前面已作分析，在此不再贅述。
（3）帶寬占用方式不同
在帶寬占用方面，集線器所有端口是共享集線器的總帶寬，而交換機的每個端口都具有自己的帶寬，這樣就交換機實際上每個端口的帶寬比集線器端口可用帶寬要高許多，也就決定了交換機的傳輸速度比集線器要快許多。
（4）傳輸模式不同
集線器只能采用半雙工方式進行傳輸?shù)?，因為集線器是共享傳輸介質的，這樣在上行通道上集線器一次只能傳輸一個任務，要么是接收數(shù)據(jù)，要么是發(fā)送數(shù)據(jù)。而交換機則不一樣，它是采用全雙工方式來傳輸數(shù)據(jù)的，因此在同一時刻可以同時進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，這不但令數(shù)據(jù)的傳輸速度大大加快，而且在整個系統(tǒng)的吞吐量方面交換機比集線器至少要快一倍以上，因為它可以接收和發(fā)送同時進行，實際上還遠不止一倍，因為端口帶寬一般來說交換機比集線器也要寬許多倍。
三、交換機的工作原理
交換機和集線器在外型上非常相似，而且都遵循IEEE802.3及其擴展標準，介質存取方式也均為CSMA／CD，但是它們之間在工作原理上還是有著根本的區(qū)別。簡單地說，由交換機構建的網(wǎng)絡稱之為交換式網(wǎng)絡，每個端口都能獨享帶寬，所有端口都能夠同時進行通訊，并且能夠在全雙工模式下提供雙倍的傳輸速率。而集線器構建的網(wǎng)絡稱之為共享式網(wǎng)絡，在同一時刻只能有兩個端口（接收數(shù)據(jù)的端口和發(fā)送數(shù)據(jù)的端口）進行通訊，所有的端口分享固有的帶寬。下面簡單以圖示方式介紹如下。
1、“共享”與“交換”數(shù)據(jù)傳輸技術
要明白交換機的優(yōu)點我們首先就必須明白交換機的基本工作原理，而交換機的工作原理其實最根本的是要理解“共享”（Share）和“交換”（Switch）這兩個概念。集線器是采用共享方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模覀冊谶@里要講的交換機工作原理則是采用“交換”方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。我們可以?#8220;共享”和“交換”理解成公路。“共享”方式就是來回車輛共用一個車道的單車道公路，而“交換”方式則是來回車輛各用一個車道的雙車道公路，“共享”和“交換”這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的示意圖分別如圖1左、右圖所示。
圖1
從我們平常生活中就可感覺到這兩種方式的不同之處，明顯可以感受到雙車道的交換方式的優(yōu)越性。因為雙車道來回的車輛可以在不同的車道上單獨行走，一般來說如果不出現(xiàn)意外的外是不可能出現(xiàn)大塞車現(xiàn)象（當然也有可能，那就車輛太多，速度太慢情況下），而單車道就象我們過單車道的橋一樣，來回的車輛每次只能允許一個方向的車輛經(jīng)過這個橋，這樣就很容易出現(xiàn)塞車現(xiàn)象。
交換機進行數(shù)據(jù)交換的原理就是在這樣的背景下產(chǎn)生，它解決了集線器那種共享單車道容易出現(xiàn)“塞車”現(xiàn)象。在交換機技術上把這種“獨享”道寬（網(wǎng)絡上稱之為“帶寬”）情況稱之為“交換”，這種網(wǎng)絡環(huán)境稱為“交換式網(wǎng)絡”，交換式網(wǎng)絡必須采用交換機（Switch）來實現(xiàn)。從圖1右圖可以知道交換式網(wǎng)絡可以是“全雙工”（Full Duplex）狀態(tài)，即可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是雙向的。而集線器的“共享”方式的網(wǎng)絡就稱之為“共享式網(wǎng)絡”，共享式網(wǎng)絡采用集線器（集線器）作為網(wǎng)絡連接設備。顯然，共享網(wǎng)絡的效率非常低，在任一時刻只能有一個方向的數(shù)據(jù)流，即處于“半雙工”（Half Duplex）模式，也稱為“單工”模式。
而對于交換機而言，它能夠“認識”連接到自己身上的每一臺電腦，憑什么認識呢？就是憑每塊網(wǎng)卡物理地址，俗稱“MAC地址”。交換機還具有MAC地址學習功能，它會把連接到自己身上的MAC地址記住，形成一個節(jié)點與MAC地址對應表。憑這樣一張表，它就不必再進行廣播了，從一個端口發(fā)過來的數(shù)據(jù)，其中會含有目的地的MAC地址，交換機在保存在自己緩存中的MAC地址表里尋找與這個數(shù)據(jù)包中包含的目的MAC地址對應的節(jié)點，找到以后，便在這兩個節(jié)點間架起了一條臨時性的專用數(shù)據(jù)傳輸通道，這兩個節(jié)點便可以不受干擾地進行通信了。要注意交換機檔次越低，交換機的緩存就越小，也就是說為保存MAC地址所準備的空間也就越小，對應的就是它能記住的MAC地址數(shù)也就越少。通常一臺交換機都具有1024個MAC地址記憶空間，都能滿足實際需求。從上面的分析來看我們知道交換機所進行的數(shù)據(jù)傳遞是有明確的方向的，而不是亂傳遞，而不是集線器的廣播方式，這種傳遞示意圖如圖3所示。同時由于交換機可以進行全雙工傳輸，所以交換機可以同時在多對節(jié)點之間建立臨時專用通道，形成了立體交叉的數(shù)據(jù)傳輸通道結構。
圖3
交換機的數(shù)據(jù)傳遞工作原理可以簡單地這樣來說明：
當交換機從某一節(jié)點收到一個以太網(wǎng)幀后，將立即在其內存中的地址表（端口號－MAC地址）進行查找，以確認該目的MAC的網(wǎng)卡連接在哪一個節(jié)點上，然后將該幀轉發(fā)至該節(jié)點。如果在地址表中沒有找到該MAC地址，也就是說，該目的MAC地址是首次出現(xiàn)，交換機就將數(shù)據(jù)包廣播到所有節(jié)點。擁有該MAC地址的網(wǎng)卡在接收到該廣播幀后，將立即做出應答，從而使交換機將其節(jié)點的“MAC地址”添加到MAC地址表中。換言之，當交換機從某一節(jié)點收到一個幀時（廣播幀除外），將對地址表執(zhí)行兩個動作，一是檢查該幀的源MAC地址是否已在地址表中，如果沒有，則將該MAC地址加到地址表中，這樣以后就知道該MAC地址在哪一個節(jié)點；二是檢查該幀的目的MAC地址是否已在地址表中，如果該MAC地址已在地址表中，則將該幀發(fā)送到對應的節(jié)點即可，而不必像集線器那樣將該幀發(fā)送到所有節(jié)點，只須將該幀發(fā)送到對應的節(jié)點，從而使那些既非源節(jié)點又非目的節(jié)點的節(jié)點間仍然可以進行相互間的通信，從而提供了比集線器更高的傳輸速率。如果該MAC地址不在地址表中，則將該幀發(fā)送到所有其它節(jié)點（源節(jié)點除外），相當于該幀是一個廣播幀。
講到這里我們要明白一個事實，那就是交換機在剛買回來不可能知道您所在網(wǎng)絡中各節(jié)點的地址，也就是說在交換機剛剛打開電源時，其MAC地址表是一片空白。那么，交換機的地址表是怎樣建立起來的呢？學習！交換機根據(jù)以太網(wǎng)幀中的源MAC地址來更新地址表。當一臺計算機打開電源后，安裝在該系統(tǒng)中的網(wǎng)卡會定期發(fā)出空閑包或信號，交換機即可據(jù)此得知它的存在以及其MAC地址，這就是所謂自動地址學習。由于交換機能夠自動根據(jù)收到的以太網(wǎng)幀中的源MAC地址更新地址表的內容，所以交換機使用的時間越長，學到的MAC地址就越多，未知的MAC地址就越少，因而廣播的包就越少，速度就越快。
那么，交換機是否會永久性地記住所有的端口號－MAC地址關系呢？不是的。由于交換機中的內存畢竟有限，因此，能夠記憶的MAC地址數(shù)量也是有限的。既然不能無休止地記憶所有的MAC地址，那么就必須賦予其相應的忘卻機制，從而吐故納新。事實上，工程師為交換機設定了一個自動老化時間（Auto－aging），若某MAC地址在一定時間內（默認為300秒）不再出現(xiàn)，那么，交換機將自動把該MAC地址從地址表中清除。當下一次該MAC地址重新出現(xiàn)時，將會被當作新地址處理。
綜上所述，交換機作為當前局域網(wǎng)的主要連接設備，與集線器相比具有許多明顯的優(yōu)點，目前正有全面取代集線器之勢，隨著交換技術的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。如果網(wǎng)絡上擁有大量的用戶、繁忙的應用程序和各式各樣的服務器，而且你還未對網(wǎng)絡結構做出任何調整，那么整個網(wǎng)絡的性能可能會非常低。最為有效的解決方法就是用交換機替代原來的集線器，當然交換機的價格會比集線器貴些，但目前來說應該完全可以接受。況且所帶來的性能提絕不是“一點點”那么簡單！
下一篇我們要介紹交換機的幾種常見分類方法。
另外一方面，由于單車道共享方式中來回車輛共用一個車道，也就是每次只能過一個方向的車，這樣車輛一多，速度肯定會降下來，效率也就跟著下降。共享式網(wǎng)絡的通信也與共享車道情況類似，它的效率在數(shù)據(jù)流量大的時候效率也肯定會降低，因為同一時刻只能進行單一數(shù)據(jù)傳輸任務。還可能造成數(shù)據(jù)碰撞現(xiàn)象，就像我們在單車道上經(jīng)常看到撞車現(xiàn)象一樣，因為車流量一大，就很難保證每個車輛的司機都那么遵守交通規(guī)則，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞、爭搶車道的現(xiàn)象。而交換式的數(shù)據(jù)交換方式出現(xiàn)這種情況就少許多，因為各自都有自己的信道，各行其道基本上是不太可能發(fā)生爭搶信道的現(xiàn)象。但也有例外，那就是數(shù)據(jù)流量增大，而網(wǎng)絡速度和帶寬沒有得到保證時才會在同一信道上出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，就像我們在雙車道或多車道也可能發(fā)生撞車現(xiàn)象一樣。解決這一現(xiàn)象的方法有兩種，一種是增加車道，另一種方法就是提高車速，很顯然增加車道這一方法是最基本的，但它不是最終的方法，因為車道的數(shù)量肯定有限，如果所有車輛的速度上不去，那還是會效率低的，對于一些心急的司機來說還是會撞車的。第二種方法是一種比較好的方法，提速有助于車輛正常有序地快速流動，這就是為什么高速公路反而出現(xiàn)撞車的現(xiàn)象比普通公路上少許多的原因。計算機網(wǎng)絡也一樣，雖然我們的交換機能提供全雙工方式進行數(shù)據(jù)傳輸，但是如果網(wǎng)絡帶寬不寬、速度不快，每傳輸一個數(shù)據(jù)包都有要花費大量的時間，則信道再多也無濟于事，網(wǎng)絡傳輸?shù)男蔬€是高不起來的，況且網(wǎng)絡上的信道也是非常有限的，這要決定于帶寬。目前最快的以太網(wǎng)交換機帶寬可達到10Gbps。
2?！?shù)據(jù)傳遞的方式
通過前面的學習我們已經(jīng)知道集線器的數(shù)據(jù)包傳輸方式是廣播方式，如圖2所示。由于集線器中只能同時存在一個廣播，所以同一時刻只能有1個數(shù)據(jù)包在傳輸，信道的利用率較低。
