网络之交换机

 

定义与作用

 

交换机是一种为所连接的IT设备提供网络通信的设备，主要作用是转发传输数据，实现网络设备之间的通信互联，还能对网络进行分段和隔离，划分多个虚拟网段，提高网络安全性，以及对不同端口、用户和应用进行流量控制和管理，优化网络环境。

 

分类

 

- 按管理方式分类：非管理型交换机即插即用，简单便宜，适合家庭或小办公室；管理型交换机分为智能交换机和全管理型交换机，前者支持基础管理，后者功能强大，能处理QoS、远程监控等，适合企业或数据中心。

- 按网络层级分类：二层交换机基于MAC地址转发数据，适合简单局域网；三层交换机增加路由功能，能处理IP地址，连接不同子网，常用于大型网络；更高层交换机（如四层）则用于负载均衡等高级场景。

- 按端口速率分类：有10/100Mbps的老式快速以太网交换机，多见于小型网络；千兆交换机速度为1Gbps，是目前主流；万兆交换机速度达10Gbps，适合高带宽需求；还有25G、100G甚至800G、1.6T等更高速率的交换机，主要用于数据中心。

- 按应用场景分类：桌面交换机5-8个端口，小巧低功耗，适合家庭；机架式交换机端口多，装在机柜中，适合企业；工业交换机耐高温、防尘，适合工厂等恶劣环境；PoE交换机通过网线供电，方便IP摄像头等设备使用。

- 按硬件形态分类：盒式交换机拥有固定配置，固定端口数量、电源模块、风扇等，不具备扩展性，一般应用于接入层和汇聚层；框式交换机可按需基于机框，对接口板卡、交换板卡、电源模块等槽位数量独立配置，具备良好的扩展性，应用于核心层。 

 

工作原理

 

当交换机收到数据帧时，会检查数据帧的目标MAC地址，然后对照自己学习到的MAC地址表，把数据帧从对应的端口转发出去，从而实现设备间的通信。同时，交换机还通过生成树协议等避免网络环路，确保网络的稳定性。

 

交换机常见的转发方式有以下三种

 

- 直通式：交换机检测到目的MAC地址后，立即转发数据帧，无需等待整个数据帧接收完。其优点是转发速度快，延迟低，适用于实时性要求高的应用；缺点是无法检测数据帧错误，可能转发错误帧，且对数据帧长度有要求。

- 存储转发式：交换机先接收完整的数据帧，进行错误检测和校验，确认无误后再根据目的MAC地址转发。优点是能保证数据帧的正确性和完整性，提高网络可靠性；缺点是转发延迟较大，因为要等整个数据帧接收和处理完才转发，适用于对数据准确性要求高的场景。

- 碎片隔离式：交换机接收数据帧时，先检查前64字节，这部分通常包含了数据帧的关键信息和大部分错误检测信息。如果前64字节无错误，就开始转发数据帧。这种方式结合了直通式和存储转发式的优点，能减少转发延迟，同时避免转发碎片帧，提高了网络性能和可靠性，但仍不能完全保证数据帧的完整性。交换机的三种转发方式分别适用于以下场景：

直通式

- 实时性要求高的场景：如视频会议、在线游戏、IP电话等，这些应用要求数据能快速传输，对延迟敏感，直通式转发的低延迟特性可保证音视频的流畅性和游戏的实时响应。

- 网络可靠性较高的场景：当网络中的设备和链路质量较好，出现数据错误的概率较低时，直通式转发能在保证速度的同时，不会因过多错误帧的转发而影响网络性能。

存储转发式

- 对数据准确性要求极高的场景：如金融交易系统、数据中心的数据存储和传输等，这些场景不容许数据出现错误，存储转发式的错误检测和校验功能可确保数据的完整性和准确性。

- 复杂网络环境：在网络拓扑复杂、存在多种设备和不同类型数据流量的环境中，存储转发式能更好地处理各种数据帧，对不同长度和格式的数据帧进行统一的处理和转发，避免因数据帧不规范而导致的错误。

碎片隔离式

- 工业自动化网络：工业环境中的数据传输对可靠性和实时性都有一定要求，碎片隔离式既能快速转发大部分正确的数据帧，又能避免转发碎片帧，适用于工业自动化生产线、监控系统等场景。

- 一般办公网络：办公网络中通常有多种类型的数据流量，包括文件传输、网页浏览、电子邮件等，碎片隔离式可以在一定程度上平衡转发速度和数据准确性，满足日常办公的网络需求。