一、交換機的工作原理

 

  當交換機收到數據時，它會檢查它的目的MAC地址，然后把數據從目的主機所在的接口轉發出去。交換機之所以能實現這一功能，是因為交換機內部有一個MAC地址表，MAC地址表記錄了網絡中所有MAC地址與該交換機各端口的對應信息。某一數據幀需要轉發時，交換機根據該數據幀的目的MAC地址來查找MAC地址表，從而得到該地址對應的端口，即知道具有該MAC地址的設備是連接在交換機的哪個端口上，然后交換機把數據幀從該端口轉發出去。

1、交換機根據收到數據幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。
2、交換機將數據幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉發。
3、如數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉發。這一過程稱為泛洪（flood）。
4、廣播幀和組播幀向所有的端口轉發。

 

例：某網絡如圖1所示。

表1端口/MAC地址映射表

假設主機pc1向主機pc7發送一個數據幀，該數據幀被送到交換機后，交換機首先查MAC地址表，發現主機pc7連接在E0/24接口上，就將數據幀從E0/24接口轉發出去。

 

交換機的三個基本功能

1、學習

      以太網交換機了解每一端口相連設備的MAC地址，并將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中.

2、轉發/過濾

  當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉發到連接目的節點的端口而不是所有端口（如該數據幀為廣播/組播幀則轉發至所有端口)

3、消除回路

      當交換機包括一個冗余回路時，以太網交換機通過生成樹協議避免回路的產生，同時允許存在后備路徑。

 

 

二、二、三層交換機對比

1、二層交換技術

      二層交換技術是發展比較成熟，二層交換機屬數據鏈路層設備，可以識別數據包中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個地址表中。

 

舉個例子

比如A要給B發送數據，已知目的IP，那么A就用子網掩碼取得網絡地址，判斷目的IP是否與自己在同一網段。

 

使用IP的設備A------------三層交換機----------------使用IP的設備B

 

 如果在同一網段，但不知道轉發數據所需的MAC地址，A就發送一個ARP請求，B返回其MAC地址，A用此MAC封裝數據包并發送給交換機，交換機起用二層交換模塊，查找MAC地址表，將數據包轉發到相應的端口。

 

如果目的IP地址顯示不是同一網段的，那么A要實現和B的通訊，在流緩存條目中沒有對應MAC地址條目，就將個正常數據包發送向一個缺省網關，這個缺省網關一般在操作系統中已經設好，對應第三層路由模塊，所以可見對于不是同一子網的數據，在MAC表中放的是缺省網關的MAC地址；然后就由三層路由模塊接收到此數據包，查詢路由表以確定到達B的路由，將構造一個新的幀頭，其中以缺省網關的MAC地址為源MAC地址，以主機B的MAC地址為目的MAC地址。通過一定的識別觸發機制，確立主機A與B的MAC地址及轉發端口的對應關系，并記錄進流緩存條目表，以后的A到B的數據，就直接交由二層交換模塊完成。這就通常所說的一次路由多次轉發。

 

 

可以看出三層交換的特點：

a、由硬件結合實現數據的高速轉發。

b、這就不是簡單的二層交換機和路由器的疊加，三層路由模塊直接疊加在二層交換的高速背板總線上，突破了傳統路由器的接口速率限制，速率可達幾十Gbit/s。算上背板帶寬，這些是三層交換機性能的兩個重要參數。

c 、簡潔的路由軟件使路由過程簡化。

d、大部分的數據轉發，除了必要的路由選擇交由路由軟件處理，都是又二層模塊高速轉發，路由軟件大多都是經過處理的優化軟件，并不是簡單照搬路由器中的軟件。

 

所以：

二層交換機：基于MAC地址
三層交換機：具有VLAN功能 ，交換和路由，基于IP，就是網絡。

  具體的工作流程如下：

（1） 當交換機從某個端口收到一個數據包，它先讀取包頭中的源MAC地址，這樣它就知道源MAC地址的機器是連在哪個端口上的；

（2） 再去讀取包頭中的目的MAC地址，并在地址表中查找相應的端口；

（3） 如表中有與這目的MAC地址對應的端口，把數據包直接復制到這端口上；

（4） 如表中找不到相應的端口則把數據包廣播到所有端口上，當目的機器對源機器回應時，交換機又可以學習一目的MAC地址與哪個端口對應，在下次傳送數據時就不再需要對所有端口進行廣播了。

 

不斷的循環這個過程，對于全網的MAC地址信息都可以學習到，二層交換機就是這樣建立和維護它自己的地址表。

 

從二層交換機的工作原理可以推知以下三點：

（1） 由于交換機對多數端口的數據進行同時交換，這就要求具有很寬的交換總線帶寬，如果二層交換機有N個端口，每個端口的帶寬是M，交換機總線帶寬超過N×M，那么這交換機就可以實現線速交換；

（2） 學習端口連接的機器的MAC地址，寫入地址表，地址表的大小（一般兩種表示方式：一為BEFFER RAM，一為MAC表項數值），地址表大小影響交換機的接入容量；

（3） 還有一個就是二層交換機一般都含有專門用于處理數據包轉發的ASIC芯片，因此轉發速度可以做到非常快。由于各個廠家采用ASIC不同，直接影響產品性能。

 

2、三層交換機

第三層交換工作在OSI七層網絡模型中的第三層即網絡層，是利用第三層協議中的IP包的包頭信息來對后續數據業務流進行標記，具有同一標記的業務流的后續報文被交換到第二層數據鏈路層，從而打通源IP地址和目的IP地址之間的一條通路。這條通路經過第二層鏈路層。有了這條通路，三層交換機就沒有必要每次將接收到的數據包進行拆包來判斷路由，而是直接將數據包進行轉發，將數據流進行交換。

表1端口/MAC地址映射表