局域网交换机工作原理-《计算机网络基础》

典型的局域网交换机是以太网交换机。以太网交换机可以通过交换机端口之间的多个并发连接，实现多节点之间数据的并发传输。这种并发数据传输方式与共享式以太网在某一时刻只允许一个节点占用共享信道的方式完全不同。

1.以太网交换机的工作过程

典型的交换机的结构与工作过程如图4.14所示。图4.14中的交换机有6 个端口，其中端口1、4、5、6 分别连接了结点A、结点B、结点C 和结点D。于是，交换机“端口号/MAC地址映射表”就可以根据以上端口与节点MAC 地址建立对应关系。如果结点A 与结点D 同时要发送数据，那么它们可以分别在以太网帧的目的地址字段（Destination Address，DA）中填上该帧的目的地址。

图4.14　交换机的结构与工作过程

例如：结点A 要向节点C 发送帧，那么该帧的目的地址DA=节点C。节点D 要向节点B发送，那么该帧的目的地址DA=节点B。当节点A、节点D 同时通过交换机传送以太网帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号/MAC 地址映射表”的对应关系找出对应帧目的地址的输出端口号，那么它就可以为节点A 到节点C 建立端口1 到端口5 的连接，同时为节点D到节点B 建立端口6 到端口4 的连接。这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说，可以在多个端口之间建立多个并发连接。

2.数据转发方式

LAN 交换模式决定了当交换机端口接收到一个帧时将如何处理这个帧。因此包（或分组）通过交换机所需要的时间取决于所选的交换模式。交换模式有存储转发模式，直通模式，不分段方式3 种。

（1）存储转发模式。存储转发交换是两种基本的交换类型之一。在这种方式下，交换机将接收整个帧并拷贝到它的缓冲器中，同时进行循环冗余校验（CRC）。如果这个帧有CRC差错，或者太短（包括CRC 在内，帧长小于64 字节），或者太长（包括CRC 在内，帧长大于1 518 字节），那么这个帧将被丢弃，否则确定输出接口，并将帧发往其目的端口。由于这种类型的交换要拷贝整个帧，并且运行CRC，因此转发速度较慢，且其延迟将随帧长度不同而变化。

（2）直通模式。直通型交换是另一种主要交换类型。在这种方式下，交换机仅仅将帧的目的地址（前缀之后的6 字节）拷贝到它的缓冲器中。然后，在交换表中查找该目的地址，从而确定输出端口，然后将帧发往其目的端口。这种直通交换方式减少了时延，因为交换机一读到帧的目的地址，确定了输出端口，就立即转发帧。

有些交换机可以自适应地选择交换方式，可以工作在直通模式，直到某个端口上的差错达到用户定义的差错极限，交换机会由直通模式自动切换成存储转发模式，而当差错率降低到这个极限以下时，交换机又会由存储转发模式切换成直通模式。

（3）不分段方式（也称为改进的直通模式）。不分段方式是直通方式的一种改进形式。在这种方式下，交换机在转发之前等待64 字节的冲突窗口。如果一个包有错，那么差错一般都会发生在前64 字节中。不分段方式较之直通方式提供了较好的差错检验，而几乎没有增加时延。

3.地址学习

以太网交换机利用“端口/MAC 地址映射表”进行信息的交换，因此，“端口/MAC 地址映射表”的建立和维护显得相当重要。一旦地址映射表出现问题，就可能造成信息转发错误。那么，交换机中的“端口/MAC 地址映射表”是怎样建立和维护的呢？

这里有两个问题需要解决，一是交换机如何知道哪台计算机连接到哪个端口；二是当计算机在交换机的端口之间移动时，交换机如何维护地址映射表。显然，通过人工建立交换机的地址映射表是不切实际的，交换机应该自动建立地址映射表。(www.xing528.com)

通常，以太网交换机利用“地址学习”的方法来动态建立和维护“端口/MAC 地址映射表”。以太网交换机的地址学习是通过读取帧的源地址并记录帧进入交换机的端口进行的。当得到MAC 地址与端口的对应关系后，交换机将检查地址映射表中是否已经存在该对应关系。如果不存在，交换机就将该对应关系添加到映射表中；如果已经存在，交换机将更新该表项。因此，在以太网交换机中，地址是动态学习的，只要节点发送信息，交换机就能捕获到它的MAC 地址与其所在端口的对应关系。

在每次添加或更新地址映射表的表项时，添加或更改的表项被赋予一个计时器。这使得该端口与MAC 地址的对应关系能够存储一段时间。如果在计时器溢出之前没有再次捕获到该端口与MAC 地址的对应关系，该表项将被交换机删除。通过移走过时的或老化的表项，交换机维护了一个精确且有用的地址映射表。

4.生成树协议

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）是网桥或交换机使用的协议，在后台运行，用于阻止网络第二层上产生回路。STP 一直监视着网络，找出所有的链路并关闭多余的链路，保证不产生回路。

STP 首先选择一个根网桥，这个根网桥将决定网络拓扑结构。对任何一个已知网络，只能有一个根网桥。根网桥端口是指定端口，指定端口运行在转发状态，而转发状态的端口收发信息。如果在网络中还有其他交换机，则都是非根网桥。到根网桥代价最小的端口称为根端口，它们收发信息，代价由链路带宽决定。

被确定到根网桥有最小代价路径的端口称为指定端口，也称为转发端口，和根网桥端口一样，也运行在转发状态。网桥上的其他端口称为非指定端口，不收发信息，处于阻塞（block）状态。

（1）生成树端口状态。生成树端口状态有如下4 种状态：

阻塞：不转发帧，监听BPDU，网桥之间必须要进行一些信息的交流，这些信息交流单元就称为配置消息BPDU。当交换机启动后，所有端口默认状态下处于阻塞状态。

监听：监听BPDU，确保在传送数据帧之前网络上没有回路。

学习：学习MAC 地址，建立过滤表，但不转发帧。

转发：能在端口上收发数据。

交换机端口一般处于阻塞或转发状态。

（2）收敛。收敛发生在网桥和交换机状态在转发和阻塞之间切换时，在这段时间内不转发数据帧。所以，收敛的速度对于确保所有设备具有相同的数据库来说是很重要的。