什么是交换机？它有哪些作用？

Posted 2022-02-03 波分传输_纤亿通

 一 什么是交换机？

 

交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

二 它的工作原理是什么？

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的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（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）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，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP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，可以有效的减少冲突域。

①端口

交换机在同一时刻可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物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。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。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出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帧功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标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数据传送的工作原理

交换机的任意节点收到数据传输指令后，即对于存储在内存里的地址表进行快速查找，从而对于MAC地址的网卡连接位置进行确认，然后再将数据传输到该节点上。如果在地址表中找到相应的位置，则进行传输；如果没有，交换机就会将该地址进行记录，以利于下次寻找和使用。交换机一般只需要将帧发送到相应的点，而无需如集线器发送到所有节点，从而节省了资源和时间，提高了数据传输的速率。

③数据传送方式

通过交换的方式进行的数据传输，其实就是交换机的数据传送的方式。之前的集线器，更多是利用共享的方式，来对数据进行传输，没有办法从通讯的速度上进行要求。集线器的共享方式，也就是常说的共享式网络，以集线器作为连接设备并且只 有一个方向的数据流，因而网络共享的效率非常低。相对而言，交换机能够对连接到自身的各台电脑进行相应的识别，通过每台电脑网卡的物理地址也就是常说的MAC地址，来进行记忆和识别。在这样的前提之下，就不用再进行广播寻找，而能够直接将记忆的MAC地址找到相应的地点并且通过一个临时性专用的数据传输通道，来完成两个节点之间不受外来干扰的数据传输的通信。由于交换机还具有全双工传输的方式，所以也可以对于多对节点间通过同时建立临时的专用通道，来形成一个立体且交叉的数据传输通道结构。

三 他有哪些分类？

从广义上来看，网络交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上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交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。 

①以太网交换机：

随着计算机及其互联技术（也即通常所谓的“网络技术”）的迅速发展，以太网成为了迄今为止普及率最高的短距离二层计算机网络。而以太网的核心部件就是以太网交换机。

不论是人工交换还是程控交换，都是为了传输语音信号，是需要独占线路的“电路交换”。而以太网是一种计算机网络，需要传输的是数据，因此采用的是“分组交换”。但无论采取哪种交换方式，交换机为两点间提供“独享通路”的特性不会改变。就以太网设备而言，交换机和集线器的本质区别就在于：当A发信息给B时，如果通过集线器，则接入集线器的所有网络节点都会收到这条信息（也就是以广播形式发送），只是网卡在硬件层面就会过滤掉不是发给本机的信息；而如果通过交换机，除非A通知交换机广播，否则发给B的信息C绝不会收到（获取交换机控制权限从而监听的情况除外）。 

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。但无论如何，其核心功能仍是二层的以太网数据包交换，只是带有了一定的处理IP层甚至更高层数据包的能力。网络交换机是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。随着通信业的发展以及国民经济信息化的推进，网络交换机市场呈稳步上升态势。它具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。

②光网络交换机：

    

光交换是人们正在研制的下一代交换技术。所有的交换技术都是基于电信号的，即使是光纤交换机也是先将光信号转为电信号，经过交换处理后，再转回光信号发到另一根光纤。由于光电转换速率较低，同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈，因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”，其内部不是电路而是光路，逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。 

四 交换机怎么配置？

交换机除了可以通过“Console”端口与计算机直接连接，还可以通过普通端口连接。此时配置交换机就不能用本地配置，而是需要通过Telnet或者Web浏览器的方式实现交换机配置。具体配置方法如下：

① Telnet

Telnet协议是一种远程访问协议，可以通过它登录到交换机进行配置。

假设交换机IP为：192.168.0.1，通过Telnet进行交换机配置只需两步:

第1步，单击开始，运行，输入“Telnet 192.168.0.1”

第2步，输入好后，单击“确定”按钮，或单击回车键，建立与远程交换机的连接。然后，就可以根据实际需要对该交换机进行相应的配置和管理了。

② Web

通过Web界面，可以对交换机设置，方法如下：

第1步，运行Web浏览器，在地址栏中输入交换机IP，回车，弹出如下对话框。

第2步，输入正确的用户名和密码。

第3步，连接建立，可进入交换机配置系统。

第4步，根据提示进行交换机设置和参数修改。

五 交换机的应用？

① 交换机的VTP身份

VTP使用'域'（domain）关系组织互连的交换机，并在'域'内的所有交换机上维护VLAN配置信息的一致性。'域'关系是通过域名建立并维护的，一组使用同一个域名的交换机构成一个'域'。多层交换机技术只能被配置为属于一个VTP域。交换机出厂时的缺省工作模式为服务器模式。'域'名是由工作在服务器模式下的交换机定义的，服务器模式的交换机还可以创建、修改、删除vlan，可以为所属的VTP域配置全局参数。VTP有它自己的NVRAM，这意味着删除配置文件不能把VTP信息清除。当VLAN的配置信息被修改，该变动会被通告到VTP域中的所有交换机。另外，它也能够根据收到的VTP通告信息与其他交换机进行VLAN配置信息的同步。工作在客户机模式下的交换机不能创建、修改、删除VLAN，但可以根据接收到的VTP通告信息更新自己的VLAN配置，客户机也可以向域中通告自己当前的VLAN配置信息。一个工作在透明模式下的交换机不会发送VTP通告，也不会根据接受到VTP信息修改自己的VLAN配置，但可以转发VTP通告信息。工作在透明模式下的交换机可以独立地创建、修改、删除自己的VLAN。

② VTP运行原理

VTP通告信息是在交换机的trunk链路上传播的。在VTP通告信息中包含一项称为配置修订版本号（configurationrevision）的参数，配置修订版本号的高低代表着VLAN配置信息的新旧程度。高版本号代表更新的VLAN配置信息。只要交换机接收到一个有更高配置修订版本号的更新，它都用该VTP更新中的vlan信息覆盖当前的vlan信息，所以配置修订版本号在VTP更新中起着非常重要的作用。每当server上修改了VLAN的配置（修改包括创建、删除VLAN和更改VLAN的名称），其配置修订版本号就会加1，然后用新的版本号向域中通告。

如果通告的配置修订版本号比收到该通告的交换机的当前配置版本号高，交换机则使用新的信息更新自己当前的配置。这种更新过程意味着：当server删除了其所有VLAN并使用了更高配置版本号，那么域中的所有具有低配置版本号的设备也将删除他们的VLAN。提醒：一台在其他域中的server身份的交换机以client身份加入到另一个VTP域中，如果这台交换机携带的配置修订版本号比当前要加入的域中的配置修订版本号高的话，则新client的VLAN数据库将覆盖当前域中serve和client数据库。为此，建议为VTP域设置一个口令（缺省没有口令），这样只有口令匹配的多层交换机技术才可以加入域中。

③ 跨VLAN的通信方法

VLAN的两个重要属性是：一个VLAN构成一个广播域；一个VLAN等于一个逻辑的子网。而在连网所用的设备中只有路由器可以分割广播域（或者说隔离广播），路由器也是为不同网络之间通信进行路由和交换数据的设备。所以，从这个角度来说VLAN之间的通信也需要路由器作为中间设备。

通常，使用IP地址规划网络时，通过路由器连接不同的网络使他们之间能够互相访问，这么做面临的问题是如何让主机把要到达外网的数据发送给路由器，解决这个问题的方法是在主机上设置缺省网关。缺省网关实际上是一台路由器，主机将去往非本地网络的数据包发送给它，由它将数据路由到目的地。

既然一个VLAN也是一个网络，那么一个VLAN内的主机如果要和其他VLAN的主机通信，也应该像上述方法一样找一台路由器作为它们的缺省网关，由路由器为它们转发数据。这样的解决方法有两种，一种是交换机外接一台路由器，该路由器专门为VLAN间通信服务，这种方法称为外部路由方法。另外一种是使用一台具有多层交换功能的高端交换机，该交换机具有路由功能。相对于单独外接一台路由器方式来说，这种方法称为内部路由方法。

以上是从三层角度分析，VLAN间的通信需要路由器，从二层角度分析，VLAN间的通信也需要路由器更改数据帧中的标记。例如，当VLAN3的主机和VLAN4的主机通信时，携带标记3的数据从连接VLAN3的路由器接口进入，经路由之后需要从连接VLAN4的接口送出，此时如果数据的标记仍然是3，那么使用多层交换机技术收到后就认为是VLAN3的数据帧，不会把它转发到VLAN4中，这样VLAN3和VLAN4之间仍然不能通信。为了能够让VLAN3的数据到达VLAN4，路由器在送出数据之前必须更换标记，把3改为4。这样交换机才认为是VLAN4的数据，并把它转发到正确的目的地。