称心常识网网友提问：
交换机的工作原理是什么？
优质回答：
举个例子，从原始的功能上介绍下。
大家小时候都玩过，如下图。
10个人组成通话网络。两个人互相通话需要一根线，若全部可以互相通话，就需要任何两个人都连接一根线。如何减少连线？建立一个叫做交换中心的地方，不使用电路之类，人工交换。10个人都把线连接到房子那边，但是并不直接相连。房子那边有一个人，负责交换，当A需要跟B通话，负责交换的人，把这两个人的线接起来。这叫人工交换。
哪个人需要通话，人工交换连接起来，线路接通。
后来发展到使用电路。继电器之类，后来电子，等等。在路上打字。大意如此。。交换是一个比较原始的概念。后来随着数据量的增加等等越来越复杂，设备更加复杂。
当看到最原始时候的需求和处理思路，希望可以帮助理解一下。
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这里以常见的二层交换机为例，更高层次的交换机不在本次套路内容。
交换机工作于OSI七层模型中的第二层，数据链路层；
交换机依靠MAC地址进行寻址，内部维护着一张MAC地址表。
一起来看看交换机的工作原理和使用场景吧。
工作原理
1.MAC地址表
交换机内部维护着一张动态MAC地址表，动态是关键，考试要考，哈哈；
交换机建立MAC地址表以及转发数据过程：
首次，给局域网某台计算机发送信息，会以广播包的形式在链路上进行转发，交换机内部的MAC地址会登记发送源计算机的MAC地址信息；
其次，收到广播包的目标计算机，会回复源计算机信息，交换机MAC地址表登记目标计算机的MAC地址信息；
最后，再有数据传输时，会根据交换机内部的MAC地址表中的信息进行单点发送，不在发送广播包。
2.端口工作模式
端口从传输速率上可以分为：单工、半双工、全双工三种；
端口从数据交换方式上分为：直通交换方式、存储专访方式、碎片隔离；
端口从使用功能上分为：普通数据端口、POE供电端口；
端口从传输模式上分为：access、trunk、hybird。
使用场景
二层交换机一般用来作为用户端的接入设备进行使用；
主要用来解决用户数据的快速传输，路由器端口不足的问题。
常见的有8口、16口、24口交换机；
从是否可以配置分为傻瓜交换机、智能交换机；
从交换机的端口类型又分为光口交换机、电口交换机。
关于交换机的相关知识和问题；
欢迎大家留言讨论，喜欢的点点关注。
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在家庭中用交换机很少，在网吧就会见到多，一般一台交换机就可以了，在工业自动化控制中，大型的控制系统如DCS控制系统就要用两台交换机，比如A网的交换机出问题此时B网的交换机立马工作，防止连续生产过程中断。工业自动化控制中用的是功能强大的交换机，可以同时工作在数据链路层和网络层。
根据题意所问的是交换机的工作原理。那么交换机如何工作？
首先是交换机的地址表，交换机的端口地址表是它上电后自动建立的，并且记录了端口下包含主机的MAC地址，然后存储在RAM中并自动维护。
其次就是交换机的转发决策，交换机的转化决策有三种操作方式，分别是丢弃、转发、扩散。丢弃指的是它本端口下的主机访问已知本端口下主机丢弃。转发指的是它某个端口下的主机访问已知某个端口下的主机是转发。扩散指的是其某个端口下主机访问未知端口的主机是扩散。
然后就是交换机的生存周期，它的生存周期指的是端口地址列表中表项的寿命。那么每个只要建立后就开始进行寿命倒计时，每次发送数据时都会刷新计时。假如一台交换机长期不发送数据的主机那么它的MAC地址的表项在生存周期结束时会自动删除。换个角度思维就是交换机的端口地址表记录是最活跃的主机MAC地址。
熟悉的就是路由器，它主要在网络层工作。一般情况下用的都是普通交换机，它则在数据链路层工作。购买好的交换机它的功能就强大多了，可以取代路由器，因为功能强大的交换机可同时在数据链路层和网络层工作，并且可根据MAC地址或者IP地址转发数据包。
交换机带网管功能的话就可以对每个端口流量进行监测，可以随意设置每个端口的网速，关闭或打开端口连接。不仅方便对网络业务的流量区分和网络故障的定义，还提高网络可管理性。交换机还具有端口聚合技术，数据链路的两端可以是交换机也可以是交换机跟路由器，甚至可以是交换机跟主机或主机跟路由器。
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交换机工作原理详解（附原理图）
交换机工作原理1、交换机的作用：
连接多个以太网物理段，隔离冲突域
对以太网帧进行高速而透明的交换转发
自行学习和维护MAC地址信息
交换机工作在二层，可以用来隔离冲突域，在OSI参考模型中，二层的作用是寻址，这边寻址指的是MAC地址，而交换机就是对MAC地址进行转发，在每个交换机中，都有一张MAC地址表，这个表是交换机自动学习的。所以，总得来说交换机的作用是寻址和转发，这边需要注意的是寻址和转发都是MAC地址，需要跟上周分享的路由器区分开来，路由器寻址寻的是IP地址，而交换机是MAC地址。2、交换机的特点：
主要工作在OSI模型的物理层、数据链路层
提供以太网间的透明桥接和交换
依据链路层的MAC地址，将以太网数据帧在端口间进行转发
3、交换机MAC地址表转发过程：MAC地址表初始化：交换机刚启动时，MAC地址表中无表项。以上图中的交换机就是刚刚启动的时候的MAC地址表。可以看出并没有任何的表项，当接入PC的时候，交换机开始进行学习MAC地址，见下图：MAC地址表学习过程（1）
PCA发出数据帧
交换机把PCA的帧中的源地址MAC_A与接收到此帧的端口E1/0/1关联起来
交换机把PCA的帧从所有其他端口发送出去（除了接收到帧的端口E1/0/1）
MAC地址表学习过程（2）PCB、PCC、PCD发出数据帧交换机会把接收到的帧中的源地址与相应的端口关联起来，至此，交换机的MAC地址表学习完成，开始进行数据的转发。4、交换机对数据帧的转发与过滤单播帧的转发：
PCA发出目的到PCD的单播数据帧
交换机根据帧中的目的地址，从相应的端口E1/0/4发送出去
交换机不在其他端口上转发此单播数据帧
广播、组播和未知单播帧的转发：交换机会把广播、组播和未知单播帧从所有其他端口发送出去（除了接收到帧的端口）VLAN基本原理1、广播风暴所谓广播帧就是在二层环境中设备发出的广播帧在广播域中传播，这样会导致广播镇占用网络带宽，降低设备性能。2、使用三层设备路由器隔离广播域广播帧属于二层并不会跨越三层，所以为了解决广播风暴，可以使用三层设备隔离广播域，减小广播域范围。比如使用路由器来隔离广播域，由于路由器是三层设备，对数据的转发容易形成瓶颈，所以一般我们使用VLAN来隔离广播域。3、VLAN隔离广播二层交换机使用VLAN（虚拟局域网）隔离广播，用来减小广播域范围。这样的话，不同VLAN之间是无法进行通信的，假设PCA发送一个广播帧，只会在VLAN1之间传播并不会传播到VLAN2，这样既限制了广播域的范围，又保证了VLAN2的安全性。4、VLan优点
有效控制广播域范围
增强局域网的安全性
灵活构建虚拟工作组
5、VLAN分类（VLAN的划分方法）基于端口的VLAN：基于端口的VLAN划分方法是最常用的一种划分方法，就是一个或者几个端口属于一个VLAN，这个端口下面的用户也就属于该 VLAN。假设以上图中，E1/0/1和E1/0/2属于VLAN10，E1/0/3和E1/0/4属于VLAN20，那么PCA和PCB也都都属于 VLAN10，可以互相通信，PCC和PCD属于VLAN20，也可以互相通信。这种划分方法的优先就是配置比较方便，只要在交换机上将相应的端口加入相应的 VLAN 即可，缺点是对于用户来说如果更改了交换机的端口也就更换了VLAN ID。基于MAC地址的VLAN：基于 MAC 地址的 VLAN 就是在划分 VLAN 的时候根据 MAC 地址划分 VLAN，比如将 PCA和 PCB 的 MAC 地址划分在 vlan10中，那么 PCA 和 PCB 就属于 VLAN10，PCC 和 PCD 同理。这种划分方法的优点是对于用户来说不受地理位置的闲置，不管PCA用户接在哪个接口，都属于VLAN10，缺点是配置较基于端口的划分方法繁琐。基于协议的VLAN：这种划分方法是指运行不同的协议划分到相同的VLAN中，比如PCA和PCB都运行的是IP协议，属于VLAN10，PCC和PCD同理。此种划分方法优点依旧是不受物理位置的影响，不管PCA接在交换机的哪个接口，都属于VLAN10。缺点的其实PC真正可以运行的协议并没有很多，有划分vlan数量上的限制。基于子网的VLAN：这种划分方法是根据子网划分，比如10.0.0.0/24属于VLAN10，20.0.0.0/24属于vlan20；以上四种划分方法最常用配置最方便是基于端口的VLAN划分方法，后面的实验示例也是以基于端口的划分方法。6、Vlan技术原理VLAN标签：对于交换机来说，是根据VLAN标签来区分不同VLAN的以太网帧的。比如PCA发送一个目的地址为PCB的数据帧，到达交换机，交换机会打上VLAN 10的标签，然后根据vlan表确定从PCB的端口转发出去交给PCB。下面会详细介绍VLAN标签的操作。802.1Q帧格式：我们知道PC发送的数据并不带VLAN标签，那么VLAN ID的标签是什么时候打上的呢，其实是在数据中进入交换机端口的时候打上的。在标准的以太网帧的源地址SA和类型Type之间打上的Tag标签，此tag标签中含有VLAN ID，VLAN ID的范围为4096，去掉一个默认的vlan 1和vlan4096作为保留vlan，实际可用的vlan ID个数为4094个。单交换机VLAN标签操作：上面已经提过PC发送的数据不带VLAN标签，所以实在进入交换机的时候打上vlan标签，既然PC发出的数据不带VLAN标签，那么在出交换机的时候交换机需要对数据帧的VLAN标签进行剥离再转发给相对应的PC。例如：PC发送一个保标准的以太网帧，源地址为PCA的地址，目的地址为PCC的地址，到达交换的时候端口的时候，交换机会打上VLAN10的标签，然后根据vlan表从PCC所在的端口转发，同时需要将VLAN 10的标签剥离，也就是说此数据帧到达PCC的时候依旧是标准的以太网帧，并不带VLAN标签，PCB和PCD同理。Access链路类型端口：VLAN 有三种链路类型，常用的是 Access 和 trunk 链路类型，下面也是介绍这种链路类型。第一种是 Access 链路类型，此链路类型的特点是指允许缺省的 VLAN 通过，同时仅发送和接收一个 VLAN 的数据帧。所以 access 链路类型一般适用于连接用户设备，也就是交换机直接接 PC使用 access 链路。跨交换机VLAN标签操作：上面讲过，vlan 标签是在进入交换机的时候打上的，出交换机剥离标签，那么在如上的拓扑中，PCA 发送一个目的地址到PCC的数据帧，到达 SWA，SWA 打上 VLAN10的标签，然后从E1/0/24剥离标签然后转发出去，到达 SWB 打上vlan10的标签，从E1/0/1转发到 PCC，这是正常数据帧的转发，但是上面说过Access链路类型只支持一个数据帧通过，那么入股 PCB 同时再发一个 VLAN20 的数据帧的话就无法进行转发，为此，通过 trunk 链路类型实现。Trunk 链路类型端口：Trunk 链路类型的有点久是允许多个 VLAN 通过，可以接收和发送多个 VLAN 的数据帧。同时对于缺省的 VLAN 也就是 PVID 的以太网帧是不带标签的。所以 trunk 链路类型一般用户交换机之间的连接。
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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。
交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，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。
数据传送的工作原理
交换机的任意节点收到数据传输指令后，即对于存储在内存里的地址表进行快速查找，从而对于MAC地址的网卡连接位置进行确认，然后再将数据传输到该节点上。如果在地址表中找到相应的位置，则进行传输；如果没有，交换机就会将该地址进行记录，以利于下次寻找和使用。交换机一般只需要将帧发送到相应的点，而无需如集线器发送到所有节点，从而节省了资源和时间，提高了数据传输的速率。
数据传送方式
通过交换的方式进行的数据传输，其实就是交换机的数据传送的方式。之前的集线器，更多是利用共享的方式，来对数据进行传输，没有办法从通讯的速度上进行要求。集线器的共享方式，也就是常说的共享式网络，以集线器作为连接设备并且只有一个方向的数据流，因而网络共享的效率非常低。相对而言，交换机能够对连接到自身的各台电脑进行相应的识别，通过每台电脑网卡的物理地址也就是常说的MAC地址，来进行记忆和识别。在这样的前提之下，就不用再进行广播寻找，而能够直接将记忆的MAC地址找到相应的地点并且通过一个临时性专用的数据传输通道，来完成两个节点之间不受外来干扰的数据传输的通信。由于交换机还具有全双工传输的方式，所以也可以对于多对节点间通过同时建立临时的专用通道，来形成一个立体且交叉的数据传输通道结构。
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交换机常见的有两种分别是二层交换机和三层交换机。
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