一、前言

项目中经常会用到交换机。
交换机有多个网口。
你可以用一根网线，网线一端插入交换机网口，另一端插入网络设备，那么该网络设备就连上了交换机。多个网口连上不同网络设备，并给网络设备配置好地址，就能互相访问了。

二、交换机

2.1 什么是交换机？

交换机，英文是Switch，和任天堂的Switch一样。
从名称也可以看出，其主要功能是交换。

交换，是指按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应的路由上的技术统称。

广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。这个过程早期是通过人工方式建立起来的交换，现在也早已普及了程控交换机，交换的过程是由程序自动完成。

在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。集线器（Hub）就是一种共享设备，Hub本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以Hub为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接受。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。

广播方式

在计算机网络中，一台计算机向网络中的所有其他计算机发送数据包的方式。在广播方式下，一个数据包被发送到网络上的所有设备，而不管它们的地址是什么。广播方式也可以用于网络发现和配置等目的。由于广播方式会向所有设备发送数据包，因此会占用网络带宽和资源，可能会对网络性能产生一定影响。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并将它添加到内部地址表中。

交换机最早起源于电话通讯系统，在老电影中可以看到这样的场面：

在这里插入图片描述

用交换机可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效隔离广播风暴，减少误包和错报的出现，避免共享冲突。

冲突域（Collision Domain）

计算机网络中，冲突域是指一个或多个计算机共享同一个物理网络（例如，使用集线器连接的计算机），并且在这个网络中，如果两个或多个计算机同时发送数据，就会发生数据包的冲突。在冲突域中，只有一个设备可以同时发送数据，如果多个设备同时发送数据，就会导致数据包的冲突，从而导致数据包的丢失和网络性能的下降。因此，在设计网络时，需要合理划分冲突域，以避免数据包的冲突和网络性能的下降。常用的方法包括使用交换机代替集线器、使用虚拟局域网（VLAN）等。

交换机在同一时刻可以进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须和其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假设，这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流量就等于2*10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式Hub时，一个Hub的总流量不会超过10Mbps。

总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并将其存放在内部地址表中，通过在数据帧的发送者和接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

2.2 交换机的作用是什么？

“交换”是今天网络中出现频率很高的一个词，从桥接到路由到ATM直至电话系统，无论何种场合都可以将其套用，那真正的交换是什么？

其实正如上节所述，交换一词最早出现于电话系统，特指实现两个电话机之间话音信号的转换，完成该工作的设备就是电话交换机。所以从本意上来讲，交换是一种技术概念，即完成信号由设备入口到出口的转发。因此，只要是符合该定义的设备都可以称为交换设备。

当交换被用来描述网络中第二层的设备时，实际指的是一个桥接设备；当它被用来描述第三层的设备时，又指的是一个路由设备。我们常说的以太网交换机实际是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备，它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低时延、低开销的通路。

桥接

桥接（Bridging）是指在计算机网络中，将两个或多个网络段（或者称为网段、子网）连接起来的一种方式。桥接设备（也称为网桥）可以在不同的物理网络中转发数据帧，使得这些网络看起来像是一个单一的网络。桥接通常用于连接局域网（LAN）中的不同部分，以便它们可以共享资源和通信。桥接设备可以通过学习每个网络段上的MAC地址，来维护一个转发表，以便将数据包转发到正确的网络段。这种方式可以减少网络中的冲突和广播，提高网络性能和可靠性。

交换机内部核心应该有一个交换矩阵，为任意两端口间的通信提供通路，或是一个快速交换总线，以使由任意端口接收的数据帧从其它端口送出。在实际设备中，交换矩阵的功能往往由专门的芯片（ASIC）完成。另外，以太网交换机在设计思想上有一个重要的假设，即交换核心的速度非常快，以至通常的大流量数据不会使其产生拥塞，换句话说，交换的能力相对于所传信息是无穷大。虽然以太网第二层交换机是基于多端口网桥发展来的，但毕竟交换有其丰富的特性，使之不但是获得更多带宽的最好途径，而且还使网络更易管理。

2.3 交换机的应用

局域网（LAN）：交换机用于连接多台计算机和其他设备，实现内部通信和共享资源。
数据中心：用于连接服务器、存储设备和网络设备，实现高速数据传输和处理。
互联网接入：用于连接企业和互联网服务提供商（ISP）的网络，实现互联网接入和数据传输。
无线局域网（WLAN）：用于连接无线接入点（无线AP）和有线网络，实现无线设备的接入和数据传输。
电信运营商网络：用于连接多个运营商网络，实现电话、数据和视频等服务的传输。

2.4 交换机分类

根据交换机的工作方式和功能，可以将其分为以下几类：

传统交换机：传统交换机是最基本的交换机，它主要通过MAC地址来转发数据包。传统交换机通常有4个、8个、16个、24个或48个端口，可以用于连接多台计算机和其他设备。
网络核心交换机：网络核心交换机通常用于连接多个交换机和路由器，实现大规模网络的高速转发和路由。网络核心交换机通常具有更高的转发速度和更多的端口数量。
网络边缘交换机：网络边缘交换机通常用于连接终端设备和服务器，实现内部通信和资源共享。网络边缘交换机通常具有较少的端口数量和较低的转发速度。
三层交换机：三层交换机不仅可以通过MAC地址转发数据包，还可以通过IP地址进行路由。三层交换机通常用于大型网络中，可以实现更高效的数据转发和路由。
堆叠交换机：堆叠交换机可以将多个物理交换机虚拟化为一个逻辑交换机，从而提高网络的可靠性和性能。堆叠交换机通常具有更多的端口数量和更高的转发速度。
模块化交换机：模块化交换机可以根据需要添加不同的模块，从而实现不同的功能和扩展性。模块化交换机通常用于大型企业和数据中心。

2.5 交换机功能

交换机是计算机网络中的一种关键设备，主要用于连接多个设备并实现高速数据传输。交换机的主要功能包括以下几个方面：

MAC地址学习：交换机可以学习和记忆MAC地址，将数据包从源设备转发到目标设备。当交换机接收到一个数据包时，它会查找数据包中的源MAC地址，并将该地址与接收端口相关联。这样，当交换机接收到目标设备的数据包时，它就可以快速转发该数据包，而不需要向其他设备广播。
数据转发：交换机可以将数据包从源设备转发到目标设备。当交换机接收到一个数据包时，它会查找数据包中的目标MAC地址，并将该数据包转发到与目标MAC地址相关联的端口。这样，交换机可以在网络中实现点对点的数据传输，避免了广播方式的低效和冲突。
广播过滤：交换机可以过滤广播数据包，避免广播风暴和网络拥塞。当交换机接收到一个广播数据包时，它会将该数据包转发到所有端口，但不会将该数据包返回到源端口。这样，交换机可以避免广播数据包在网络中无限制地传播，从而提高网络的性能和可靠性。
冲突域划分：交换机可以将网络划分为多个冲突域，从而避免数据包冲突和网络拥塞。冲突域是指多个计算机共享同一个物理网络并且可能发生数据包冲突的区域。通过将网络划分为多个冲突域，交换机可以将数据包限制在特定的区域内。
VLAN支持：交换机可以支持虚拟局域网（VLAN），将网络划分为多个逻辑网络。VLAN可以将不同的设备隔离在不同的逻辑网络中，从而提高网络的安全性和管理性。