交换机的特点、工作原理及数据交换方式

交换机(Switch)也是网络中的一种集线设备，与集线器一样，它能以自身为中心连接网络节点，能对接收到的信息进行再生放大以增加网络的传输距离；但它又与集线器不同——交换机是一种交换式设备。

作为一种交换式设备，交换机的每个端口能为与之相连的节点提供专用的带宽，让每个节点独占信道。交换机端口、节点以及交换机容量的关系如下所示。

(1)交换机的特点

交换机主要具有以下特点。

①独享带宽。若一台端口速率为100Mbit/s的交换机同时连接N台计算机，那么网络的总带宽为N x 100Mbit/s。换言之，采用交换机组建的交换式以太网的网络带宽不会因节点数量的增加而减少，网络性能也不会因负荷的增加而降低。

②多对节点可并行通信。交换机允许自身连接的多对设备同时建立通信链路，进行数据交换。

③可灵活配置端口速率。交换机允许各节点按照自身需求灵活配置端口速率，且交换机不仅支持某种速率的端口，还支持端口自适应配置。

④便于管理。交换机支持构造虚拟局域网(VLAN),以软件的方式通过逻辑工作组划分和管理网络中的设备。

另外，交换机可与使用集线器搭建的网络兼容，在从共享式局域网过渡到交换式以太网时可替代集线器，实现网络的无缝连接。

(2)交换机的工作原理

交换机在接收到数据时，会先检查数据中包含的MAC地址，再将数据从目的主机所在的端口转发出去。交换机之所以能实现这一功能，是因为交换机内存有一张MAC地址表，该表记录了网络中所有MAC地址与该交换机各端口的对应信息。当有数据帧需要通过该交换机进行转发时，交换机根据内部存储的MAC地址表获取目的设备所对应的端口，通过找到的端口转发数据，如下图所示。

假设上图中的设备pc2向主机pc3发送一个数据帧，交换机接收到该数据帧后，会先查出目的MAC地址为00-0B-2F-4B-60-57，然后查询MAC地址表，找到目的MAC地址连接的端口号E0/5，将数据从端口E0/5转发出去。

交换机中的MAC地址表初始为空，交换机自投入使用后，会通过一定的措施构建并完善MAC地址表，这一过程主要包含4个重要概念:学习、转发、泛洪和更新。

①学习。当端口E0/1连接的设备pc1要发送数据帧给另外一台设备时，交换机会先检查数据帧中的源MAC地址(00-0B-2F-4B-60-26)，判断MAC地址表中是否存在相关记录，若有则更新记录(00-0B-2F-4B-60-26，E0/1)，否则新增记录。

②转发。交换机检查数据帧中的目的MAC地址，查询MAC地址表中与目的MAC地址相关的记录，若找到相应记录，则将数据帧转发到记录对应的端口。

③泛洪。若MAC地址表中不存在与目的MAC地址相关的记录，交换机一时无法获取目的主机所连接的端口，此时交换机将发送数据帧给除源端口外所有的端口(此即泛洪)，等到相应的目的端口回复后，交换机记下回应数据帧的源MAC地址和对应端口，以方便后续转发。

④更新。为保证MAC地址表的正确性，交换机内部每隔一定时间会将表进行一次更新。

(3)数据交换方式

交换机的数据交换方式分为直接交换和存储交换两种。

直接交换指交换机接收到数据帧后，立即获取帧中的目的地址，并通过MAC地址表获取目的端口号，转发数据帧。此种数据交换方式效率高、延迟小，但又具有如下缺点：

①可靠性较低。数据在传输过程中可能因碰撞而损坏，但直接交换方式不检查数据帧的完整性和正确性，直接转发数据，无法保证数据帧传输的可靠性。

②不同速率的端口无法直通。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通。

③实现困难。当交换机的端口增加时，交换矩阵的复杂性也随之增加，实现起来比较困难。

存储转发是应用比较广泛的一种数据交换方式，使用此种方式，交换机接收到数据帧后会将数据帧进行存储与校验，若校验结果表明数据无误，再取出目的MAC地址，通过映射表查找相应端口进行转发。

与直接交换相比，存储转发方式的延迟较大，但具有检错能力，且可支持不同速率的端口间的数据交换。

审核编辑：汤梓红