交换机

定义

交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

广域的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。

原理

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

端口

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

传输

交换机的传输模式有全双工，半双工，全双工/半双工自适应。

分类

从广义上来看，网络交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。

光交换机

光交换是人们正在研制的下一代交换技术。所有的交换技术都是基于电信号的，即使是的光纤交换机也是先将光信号转为电信号，经过交换处理后，再转回光信号发到另一根光纤。由于光电转换速率较低，同时电路的处理速度存在物理学上的瓶颈，因此人们希望设计出一种无需经过光电转换的“光交换机”，其内部不是电路而是光路，逻辑原件不是开关电路而是开关光路。这样将大大提高交换机的处理速率。

以太网交换机

以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。

带宽分类

需要说明的是，这里所指的“以太网交换机”是指传输带宽在100Mbps以下的交换机，还有“快速以太网交换机”、“千兆以太网交换机”和“万兆以太网交换机”其实也是以太网交换机，只不过它们所采用的协议标准、或者传输介质不一样，当然其接口形式也可能不一样。

快速以太网交换机

快速以太网交换机用于百兆以太网及千兆以太网等。以太网是Ethernet的意思，标准已有十兆提升到百兆到桌面，千兆做干线。

千兆以太网交换机

千兆交换机是指上联和下联口都是千兆口的交换机，也可理解为交换机端口支持1000M或10/100/1000M传输。很多人在寻找更快速的局域网连接技术，使用千兆以太网或者更快的万兆技术。这样的变化不仅仅是发生在园区网的骨干，也同样发生在每一个配线间中，企业的IT管理人员希望能为每一个桌面用户提供10倍于以前的网络连接。

万兆以太网交换机

万兆交换机的出现彻底实现了私有网络到大众网络的融合，并且其能够提供在一秒钟超过一千个G的吞吐量，这是传统的交换机所不能做到的。作为兼容于以往的最新以太网技术，万兆以太网不仅仅是以太网的“高速翻版”，万兆以太网第一次提出了万兆广域以太网技术，第一次实现了私有网络到公众网络的融合。

同样，作为网络的核心设备，万兆以太网交换机也不仅仅是在已有的千兆以太网交换机上支持万兆的接入模块，它需要新一代的系统设计，包括从交换机体系结构、二/三层技术的更新，到下一代 IPv6 的缺省支持和有效的带宽管理。

近年来，从局域网到城域网，从城域网到广域网，以太网技术以惊人的速度正占据着越来越多的市场，尤其在企业网络和运营商网络中，以太网技术越来越多地成为毫无争议的选择。从快速以太网到千兆以太网，再到万兆以太网，技术上的更新满足了新一代互联网技术所带来的高速带宽增长和新一代应用的需求。

ISO/OSI分层

以太网交换机厂商根据市场需求，推出了三层甚至四层交换机。但无论如何，其核心功能仍是二层的以太网数据包交换，只是带有了一定的处理IP层甚至更高层数据包的能力。

二层交换机

二层交换机是数据链路层的设备，它能够读取数据包中的MAC地址信息并根据MAC地址来进行交换。它隔离了冲突域，工作在数据链路层。所以交换机每个端口都是单独的冲突域。

二层交换机指的就是传统的工作在OSI参考模型的第二层–数据链路层上交换机，主要功能包括物理编址、错误校验、帧序列以及流控。一个纯第二层的解决方案，是最便宜的方案，但它在划分子网和广播限制等方面提供的控制最少。传统的路由器与外部的交换机一起使用也能解决这个问题，但现在路由器的处理速度已跟不上带宽要求。因此三层交换机、Web交换机等应运而生。

三层交换机

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。三层交换技术就是二层交换技术+三层转发技术。传统交换技术是在OSI网络标准模型第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发，既可实现网络路由功能，又可根据不同网络状况做到最优网络性能。

四层交换机

显然，第二层交换机和第三层交换机都是基于端口地址的端到端的交换过程，虽然这种基于MAC地址和IP地址的交换机技术，能够极大地提高各节点之间的数据传输率，但却无法根据端口主机的应用需求来自主确定或动态限制端口的交换过程和数据流量，即缺乏第四层智能应用交换需求。第四层交换机不仅可以完成端到端交换，还能根据端口主机的应用特点，确定或限制它的交换流量。简单地说，第四层交换机是基于传输层数据包的交换过程的，是一类基于TCP/IP协议应用层的用户应用交换需求的新型局域网交换机。第四层交换机支持TCP/UDP第四层以下的所有协议，可识别至少80个字节的数据包包头长度，可根据TCP/UDP端口号来区分数据包的应用类型，从而实现应用层的访问控制和服务质量保证。所以，与其说第四层交换机是硬件网络设备，还不如说它是软件网络管理系统。也就是说，第四层交换机是一类以软件技术为主，以硬件技术为辅的网络管理交换设备。

网络结构分类

在二层网络结构或三层网络结构里，往往会出现核心层交换机、汇聚层交换机和接入层交换机的概念。但其实，核心层交换机、汇聚层交换机和接入层交换机并不是交换机的一种类型，它只是表示放在某一层网络结构的交换机。

接入层交换机

通常将网络中直接面向用户连接或访问网络的部分称为接入层，处于接入层的交换机叫做接入层交换机。

接入层目的是允许终端用户连接到网络，因此接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。接入交换机是最常见的交换机，它直接与外网联系，使用最广泛，尤其是在一般办公室、小型机房和业务受理较为集中的业务部门、多媒体制作中心、网站管理中心等部门。在传输速度上，现代接入交换机大都提供多个具有10M/100M/1000M自适应能力的端口。

接入层的功能有：

连续的访问控制和策略；
创建分隔的冲突域。

汇聚层交换机

汇聚层，是多台接入层交换机的汇聚点，它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量，并提供到核心层的上行链路，因此汇聚层交换机与接入层交换机比较，需要更高的性能，更少的接口和更高的交换速率。

汇聚层主要承担的基本功能有：

汇聚接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚、转发和交换；
根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、QoS优先级管理，以及安全机制，IP地址转换、流量整形、组播管理等处理；
根据处理结果将用户流量转发到核心交换层或在本地进行路由处理；
完成各种协议的转换（如路由的汇总和重新发布等），以保证核心层连接运行不同的协议的区域。

核心层交换机

核心层是网络的高速交换主干，对整个网络的连通起到至关重要的作用。

核心层交换机也可以说是交换机的网关。在进行网络规划设计时核心层的设备通常要占大部分投资，因为核心层设备对于冗余能力、可靠性和传输速度方面要求较高。核心层交换机一般都是三层交换机或者三层以上的交换机，采用机箱式的外观，具有很多冗余的部件。

主要功能：

第3层支持；
极高的转发速率；
千兆以太网/万兆以太网；
冗余组件；
链路聚合；
服务质量（QoS）。