哈工大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程局域網(wǎng)詳解之：交換機(jī)概念

以太網(wǎng)交換機(jī)（switch）

本節(jié)主要面向以太網(wǎng)來介紹其中使用的交換機(jī)。

作為以太網(wǎng)交換機(jī)來說，是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路層數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)。在存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，交換機(jī)是通過檢驗(yàn)到達(dá)數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址，選擇性（selectively）向一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)幀。

同時(shí)，交換機(jī)作為鏈路層設(shè)備，在每個(gè)接口中發(fā)送/接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，實(shí)際上都是利用CSMA/CD協(xié)議來訪問鏈路，發(fā)送數(shù)據(jù)幀的。

最典型也是使用最廣泛的一類交換機(jī)叫做透明（transparent）交換機(jī)。這里透明的意思是指：

• 主機(jī)感知不到交換機(jī)的存在。

因此，這類透明交換機(jī)就是一種即插即用的設(shè)備。也就是說，作為標(biāo)準(zhǔn)的鏈路層設(shè)備，交換機(jī)可以直接接入到網(wǎng)絡(luò)就可以工作，而不需要復(fù)雜的配置和管理。

交換機(jī)：多端口間同時(shí)傳輸

交換機(jī)在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)中，使用最廣泛的場(chǎng)景，比如在以太網(wǎng)中，通過把計(jì)算機(jī)利用一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，直接接入到交換機(jī)的一個(gè)接口上，從而構(gòu)成了一個(gè)局域網(wǎng)，有時(shí)也被稱為交換以太網(wǎng)。示例圖如下所示：

這些主機(jī)都是通過一個(gè)獨(dú)享的，或非共享的鏈路直接與交換機(jī)相連。作為交換機(jī)可以在這些互聯(lián)的主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，正如上面介紹的，交換在每段鏈路上都是遵循CSMA/CD協(xié)議來收發(fā)數(shù)據(jù)幀。由于在上述網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)主機(jī)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與交換機(jī)連接的（每段鏈路一個(gè)獨(dú)立的沖突域），所以不會(huì)發(fā)送沖突，且可以實(shí)現(xiàn)全雙工。

交換機(jī)可以在這些所有互聯(lián)的主機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)并行的交換傳輸。比如A-A‘之間進(jìn)行通信和B-B‘之間進(jìn)行通信是可以同時(shí)進(jìn)行的，互不干擾，沒有沖突。

交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表：交換表

作為交換機(jī)，如何保證數(shù)據(jù)能夠動(dòng)態(tài)的在多個(gè)不同的接口之間進(jìn)行交換傳輸呢？

比如還是上面的示例圖，交換機(jī)怎么知道A‘（實(shí)際指的是MAC地址）可以通過接口4到達(dá)，而B‘可以通過接口5到達(dá)？

這里就涉及交換機(jī)里一個(gè)非常重要的概念：交換表。

每個(gè)交換機(jī)都會(huì)維護(hù)一個(gè)交換表（switch table），交換表中的每條記錄entry，記錄了MAC地址與相應(yīng)接口的轉(zhuǎn)發(fā)映射關(guān)系（類似路由器中的轉(zhuǎn)發(fā)表）。

比如，每個(gè)entry的格式：（主機(jī)MAC地址，到達(dá)主機(jī)的接口，時(shí)間戳）。這個(gè)時(shí)間戳的設(shè)置是當(dāng)時(shí)間戳設(shè)置的時(shí)間超時(shí)之后，會(huì)把該條記錄從交換表中清除，再重新學(xué)習(xí)獲取。（看起來很像路由表?。?/p>

接下來還有一個(gè)疑問，就是上面交換機(jī)中的交換表是怎么構(gòu)建出來的？ 我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)層中介紹過，路由器中的轉(zhuǎn)發(fā)表是利用一些路由協(xié)議（e.g. OSPF、BGP），根據(jù)算法來計(jì)算得到的轉(zhuǎn)發(fā)信息。這里的交換表是這樣做的嗎？

交換機(jī)：自學(xué)習(xí)

實(shí)際上，交換表的構(gòu)造方法跟網(wǎng)絡(luò)層中路由轉(zhuǎn)發(fā)表的構(gòu)造方法有很大差異。這個(gè)差異在于，交換機(jī)獲取交換表的信息是通過自學(xué)習(xí)來完成的。

交換機(jī)通過自學(xué)習(xí)，獲知到達(dá)主機(jī)的接口信息。學(xué)習(xí)的過程大致如下：

• 當(dāng)收到幀時(shí)，交換機(jī)“學(xué)習(xí)”到發(fā)送幀的主機(jī)（通過幀的源MAC地址），位于收到該幀的接口所連接的LAN網(wǎng)段。
• 學(xué)到該信息之后，就可以將發(fā)送主機(jī)的MAC地址/接口信息記錄到交換表中。

下面以一個(gè)示例來看一下自學(xué)習(xí)的過程。還是上面的示例圖，假設(shè)主機(jī)A要向目的主機(jī)A‘發(fā)送數(shù)據(jù)幀。（A和A‘實(shí)際上都是指MAC地址）

數(shù)據(jù)幀從主機(jī)A發(fā)送后，到達(dá)交換機(jī)，此時(shí)交換機(jī)就可以根據(jù)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址學(xué)習(xí)到，當(dāng)MAC地址為A時(shí)，其接口對(duì)應(yīng)的是1。也就是說，交換機(jī)學(xué)習(xí)到了將來如何有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送給主機(jī)A，則會(huì)通過接口1來轉(zhuǎn)發(fā)。

同時(shí)由于初始時(shí)，交換表是空的，不清楚應(yīng)用通過哪個(gè)接口來轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)幀。此時(shí)會(huì)采用一種泛洪的方式，也就是除了接口1之外，其余的接口都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)該幀的副本。 主機(jī)接收到后，會(huì)比對(duì)數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，因此只有主機(jī)A‘會(huì)正確接收該數(shù)據(jù)幀，其他主機(jī)則直接丟棄。

作為交換機(jī)，在整個(gè)自學(xué)習(xí)過程中，有時(shí)也被稱為一個(gè)幀過濾/轉(zhuǎn)發(fā)過程。

交換機(jī)事實(shí)上就是利用收到數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址去檢索交換表，來決定從哪個(gè)接口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀。在這個(gè)過程中，也同時(shí)利用幀的源MAC地址來進(jìn)行自學(xué)習(xí)。

接下來，我們對(duì)上面介紹的過程進(jìn)行匯總，來描述一個(gè)幀轉(zhuǎn)發(fā)過程。

當(dāng)交換機(jī)收到幀時(shí)：

1. 記錄幀的源MAC地址與輸入鏈路接口。

2. 利用目的MAC地址檢索交換表。

3. if在交換表中檢索到與目的MAC地址匹配的入口（entry）

   then {

   if 目的主機(jī)位于收到幀的網(wǎng)段

   then 丟棄幀

   else 將幀轉(zhuǎn)發(fā)到該入口指向的接口

   }

   else 泛洪（flood）/* 向除收到該幀的接口之外的所有接口轉(zhuǎn)發(fā) */

交換機(jī)互聯(lián)

作為利用交換機(jī)連接的局域網(wǎng)，顯然不會(huì)只有一臺(tái)交換機(jī)來連接所有的主機(jī)。有的時(shí)候可能是接口的限制，或是網(wǎng)絡(luò)距離的需要，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展。最典型的擴(kuò)展方式，就是利用多交換機(jī)互聯(lián)之后，構(gòu)成一個(gè)更大范圍的層級(jí)結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)在的局域網(wǎng)中是非常常見的。那么在上面的層級(jí)結(jié)構(gòu)中，主干交換機(jī)S₁、S₂、S₃、S₄又是如何來構(gòu)建交換表的呢？

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，上述A、B、C…這些實(shí)際上指代的都是主機(jī)的MAC地址。

假設(shè)此時(shí)A向G發(fā)送數(shù)據(jù)幀，S₁怎么知道通過S₄轉(zhuǎn)發(fā)？S₄又怎么知道通過S₃轉(zhuǎn)發(fā)？

顯然這個(gè)過程也是要通過自學(xué)習(xí)來完成的。這個(gè)過程實(shí)際上與單一交換機(jī)情形相同。比如上面的例子中，S₁不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時(shí)，采用的方式仍然是泛洪。泛洪之后，把數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)搅薙₄，S₄同樣不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，則仍然繼續(xù)泛洪。以此類推，最終S₃經(jīng)過泛洪把數(shù)據(jù)幀的一個(gè)副本傳輸給了G。而在這個(gè)過程中，每個(gè)交換機(jī)都會(huì)自學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)各自交換表中的轉(zhuǎn)發(fā)映射關(guān)系。

組織機(jī)構(gòu)（Institutional）網(wǎng)絡(luò)

交換機(jī)在實(shí)際局域網(wǎng)中使用非常廣泛，比如下圖的示例網(wǎng)絡(luò)，就是一些比較典型的組織機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)縮影。

事實(shí)上比如像校園網(wǎng)、小型中小企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)等，它們的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，大部分都由我們圖中所示的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。

比如，通過一個(gè)局域網(wǎng)的邊緣路由器與外部網(wǎng)絡(luò)連接（一般是連接到一個(gè)ISP網(wǎng)絡(luò)上）。在網(wǎng)絡(luò)（組織）內(nèi)部，利用交換機(jī)連接交換機(jī)，交換機(jī)連接主機(jī)這樣的方式構(gòu)成一個(gè)組織內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

從這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以看出，如果說路由器右邊連接的網(wǎng)絡(luò)不再包含網(wǎng)絡(luò)層（第三層）設(shè)備的話，顯然這樣的網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的就是一個(gè)IP子網(wǎng)。在這個(gè)IP子網(wǎng)中，任何一個(gè)交換機(jī)在工作過程中，如何收到在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的任何一個(gè)主機(jī)發(fā)送的廣播數(shù)據(jù)幀（目的MAC地址是全1），此時(shí)，所有交換機(jī)都會(huì)把這個(gè)廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)到所有的其他接口上去，也就是上面講過的泛洪。因此，對(duì)于這樣一個(gè)IP子網(wǎng)來說，也被稱為一個(gè)廣播域。

再結(jié)合之前介紹過的沖突域的概念：如果交換機(jī)的某個(gè)接口所連接的網(wǎng)絡(luò)不再經(jīng)過另外一個(gè)交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的話，這樣的網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)沖突域。

上面的示例網(wǎng)絡(luò)可以看得出來，由于每個(gè)交換機(jī)的接口最多只連接一個(gè)主機(jī)，所以每個(gè)沖突域都只有一臺(tái)主機(jī)。

交換機(jī) VS 路由器

在現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常會(huì)需要用到交換機(jī)和路由器等設(shè)備，因此，我們對(duì)交換機(jī)和路由器設(shè)備進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，來加深理解。

交換機(jī) vs 路由器：

• 兩者均為存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備：
  • 路由器：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)層分組首部，處理的是IP數(shù)據(jù)報(bào)。
  • 交換機(jī)：鏈路層設(shè)備，檢測(cè)鏈路層幀的首部，處理的是鏈路層數(shù)據(jù)幀。
• 二者均使用轉(zhuǎn)發(fā)表：
  • 路由器：利用路由算法（路由協(xié)議）計(jì)算（設(shè)置）轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)發(fā)映射關(guān)系，依據(jù)IP地址。
  • 交換機(jī)：利用自學(xué)習(xí)、泛洪構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)表，依據(jù)MAC地址。

可以參照下面的示意圖來理解。

進(jìn)一步的，可以把在網(wǎng)絡(luò)中，尤其是局域網(wǎng)中，常用的一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)其功能和局限性進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比：

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-612274.html

到了這里，關(guān)于哈工大計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程局域網(wǎng)詳解之：交換機(jī)概念的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！