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什么是交換機?交換機的作用是什么?

更新時間:2021年11月30日15時51分 來源:傳智教育 瀏覽次數:

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交換機(Switch)也是網絡中的一種集線設備,與集線器一樣,它能以自身為中心連接網絡節點,能對接收到的信息進行再生放大以增加網絡的傳輸距離;但它又與集線器不同——交換機是一種交換式設備。

作為一種交換式設備,交換機的每個端口能為與之相連的節點提供專用的帶寬,讓每個節點獨占信道。交換機端口、節點以及交換機容量的關系如下所示。

交換機


(1)交換機的特點

交換機主要具有以下特點。

①獨享帶寬。若一臺端口速率為100Mbit/s的交換機同時連接N臺計算機,那么網絡的總帶寬為N x 100Mbit/s。換言之,采用交換機組建的交換式以太網的網絡帶寬不會因節點數量的增加而減少,網絡性能也不會因負荷的增加而降低。

②多對節點可并行通信。交換機允許自身連接的多對設備同時建立通信鏈路,進行數據交換。

③可靈活配置端口速率。交換機允許各節點按照自身需求靈活配置端口速率,且交換機不僅支持某種速率的端口,還支持端口自適應配置。

④便于管理。交換機支持構造虛擬局域網(VLAN),以軟件的方式通過邏輯工作組劃分和管理網絡中的設備。

另外,交換機可與使用集線器搭建的網絡兼容,在從共享式局域網過渡到交換式以太網時可替代集線器,實現網絡的無縫連接。


(2)交換機的工作原理

交換機在接收到數據時,會先檢查數據中包含的MAC地址,再將數據從目的主機所在的端口轉發出去。交換機之所以能實現這一功能,是因為交換機內存有一張MAC地址表,該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。當有數據幀需要通過該交換機進行轉發時,交換機根據內部存儲的MAC地址表獲取目的設備所對應的端口,通過找到的端口轉發數據,如下圖所示。

交換機工作原理

假設上圖中的設備pc2向主機pc3發送一個數據幀,交換機接收到該數據幀后,會先查出目的MAC地址為00-0B-2F-4B-60-57,然后查詢MAC地址表,找到目的MAC地址連接的端口號E0/5,將數據從端口E0/5轉發出去。

交換機中的MAC地址表初始為空,交換機自投入使用后,會通過一定的措施構建并完善MAC地址表,這一過程主要包含4個重要概念:學習、轉發、泛洪和更新。

①學習。當端口E0/1連接的設備pc1要發送數據幀給另外一臺設備時,交換機會先檢查數據幀中的源MAC地址(00-0B-2F-4B-60-26),判斷MAC地址表中是否存在相關記錄,若有則更新記錄(00-0B-2F-4B-60-26,E0/1),否則新增記錄。

②轉發。交換機檢查數據幀中的目的MAC地址,查詢MAC地址表中與目的MAC地址相關的記錄,若找到相應記錄,則將數據幀轉發到記錄對應的端口。

③泛洪。若MAC地址表中不存在與目的MAC地址相關的記錄,交換機一時無法獲取目的主機所連接的端口,此時交換機將發送數據幀給除源端口外所有的端口(此即泛洪),等到相應的目的端口回復后,交換機記下回應數據幀的源MAC地址和對應端口,以方便后續轉發。

④更新。為保證MAC地址表的正確性,交換機內部每隔一定時間會將表進行一次更新。


(3)數據交換方式

交換機的數據交換方式分為直接交換和存儲交換兩種。

直接交換指交換機接收到數據幀后,立即獲取幀中的目的地址,并通過MAC地址表獲取目的端口號,轉發數據幀。此種數據交換方式效率高、延遲小,但又具有如下缺點:

①可靠性較低。數據在傳輸過程中可能因碰撞而損壞,但直接交換方式不檢查數據幀的完整性和正確性,直接轉發數據,無法保證數據幀傳輸的可靠性。

②不同速率的端口無法直通。由于沒有緩存,不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通。

③實現困難。當交換機的端口增加時,交換矩陣的復雜性也隨之增加,實現起來比較困難。

存儲轉發是應用比較廣泛的一種數據交換方式,使用此種方式,交換機接收到數據幀后會將數據幀進行存儲與校驗,若校驗結果表明數據無誤,再取出目的MAC地址,通過映射表查找相應端口進行轉發。

與直接交換相比,存儲轉發方式的延遲較大,但具有檢錯能力,且可支持不同速率的端口間的數據交換。



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