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什麼是交換機？
交換 ，switching 是按照通訊兩端傳輸資訊的需要，用人工或裝置自動完成的方法，把要傳輸的資訊送到符合要求的相應路由上的技術統稱。廣義的交換機switch就是一種在通訊系統中完成資訊交換功能的裝置。這個過程就是透過人工方式建立起來的交換。當然現在我們早已普及了程控交換機，交換的過程都是自動完成。
在計算機網路系統中，交換概念的提出是對於共享工作模式的改進。我們以前介紹過的HUB集線器就是一種共享裝置，HUB本身不能識別目的地址，當同一區域網內的A主機給B主機傳輸資料時，資料包在以HUB為架構的網路上是以廣播方式傳輸的，由每一臺終端透過驗證資料包頭的地址資訊來確定是否接收。也就是說，在這種工作方式下，同一時刻網路上只能傳輸一組資料幀的通訊，如果發生碰撞還得重試。這種方式就是共享網路頻寬。
交換機擁有一條很高頻寬的背部匯流排和內部交換矩陣。交換機的所有的埠都掛接在這條背部總線上，控制電路收到資料包以後，處理埠會查詢記憶體中的地址對照表以確定目的MAC（網絡卡的硬體地址）的NIC（網絡卡）掛接在哪個埠上，透過內部交換矩陣迅速將資料包傳送到目的埠，目的MAC若不存在才廣播到所有的埠，接收埠迴應後交換機會“學習”新的地址，並把它新增入內部地址表中。
交換和交換機最早起源於電話通訊系統（PSTN），我們現在還能在老電影中看到這樣的場面：首長（主叫使用者）拿起話筒來一陣猛搖，局端是一排插滿線頭的機器，戴著耳麥的話務小姐接到連線要求後，把線頭插在相應的出口，為兩個使用者端建立起連線，直到通話結束。這使用交換機也可以把網路“分段”，透過對照地址表，交換機只允許必要的網路流量透過交換機。透過交換機的過濾和轉發，可以有效的隔離廣播風暴，減少誤包和錯包的出現，避免共享衝突。
交換機在同一時刻可進行多個埠對之間的資料傳輸。每一埠都可視為獨立的網段，連線在其上的網路裝置獨自享有全部的頻寬，無須同其他裝置競爭使用。當節點A向節點D傳送資料時，節點B可同時向節點C傳送資料，而且這兩個傳輸都享有網路的全部頻寬，都有著自己的虛擬連線。假使這裡使用的是10Mbps的乙太網交換機，那麼該交換機這時的總流通量就等於，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps。
總之，交換機是一種基於MAC地址識別，能完成封裝轉發資料包功能的網路裝置。交換機可以“學習”MAC地址，並把其存放在內部地址表中，透過在資料幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使資料幀直接由源地址到達目的地址。
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交換機的作用是什麼？
“交換”是今天網路裡出現頻率最高的一個詞，從橋接到路由到ATM直至電話系統，無論何種場合都可將其套用，搞不清到底什麼才是真正的交換。其實交換一詞最早出現於電話系統，特指實現兩個不同電話機之間話音訊號的交換，完成該工作的裝置就是電話交換機。所以從本意上來講，交換隻是一種技術概念，即完成訊號由裝置入口到出口的轉發。因此，只要是和符合該定義的所有裝置都可被稱為交換裝置。
由此可見，“交換”是一個涵義廣泛的詞語，當它被用來描述資料網路第二層的裝置時，實際指的是一個橋接裝置；而當它被用來描述資料網路第三層的裝置時，又指的是一個路由裝置。我們經常說到的乙太網交換機實際是一個基於網橋技術的多埠第二層網路裝置，它為資料幀從一個埠到另一個任意埠的轉發提供了低時延、低開銷的通路。（獲取更多網路技術乾貨，請關注微信公眾號：網路技術聯盟站）
由此可見，交換機內部核心處應該有一個交換矩陣，為任意兩埠間的通訊提供通路，或是一個快速交換匯流排，以使由任意埠接收的資料幀從其他埠送出。在實際裝置中，交換矩陣的功能往往由專門的晶片（ASIC）完成。另外，乙太網交換機在設計思想上有一個重要的假設，即交換核心的速度非常之快，以致通常的大流量資料不會使其產生擁塞，換句話說，交換的能力相對於所傳資訊量而無窮大（與此相反，ATM交換機在設計上的思路是，認為交換的能力相對所傳資訊量而言有限）。雖然乙太網第二層交換機是基於多埠網橋發展而來，但畢竟交換有其更豐富的特性，使之不但是獲得更多頻寬的最好途徑，而且還使網路更易管理。
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交換機的應用
作為區域網的主要連線裝置，乙太網交換機成為應用普及最快的網路裝置之一。隨著交換技術的不斷髮展，乙太網交換機的價格急劇下降，交換到桌面已是大勢所趨。
如果你的乙太網絡上擁有大量的使用者、繁忙的應用程式和各式各樣的伺服器，而且你還未對網路結構做出任何調整，那麼整個網路的效能可能會非常低。解決方法之一是在乙太網上新增一個10/100Mbps的交換機，它不僅可以處理10Mbps的常規乙太網資料流，而且還可以支援100Mbps的快速乙太網連線。
如果網路的利用率超過了40%，並且碰撞率大於10%，交換機可以幫你解決一點問題。帶有100Mbps快速乙太網和10Mbps乙太網埠的交換機可以全雙工方式執行，可以建立起專用的20Mbps到200Mbps連線。
不僅不同網路環境下交換機的作用各不相同，在同一網路環境下新增新的交換機和增加現有交換機的交換埠對網路的影響也不盡相同。充分了解和掌握網路的流量模式是能否發揮交換機作用的一個非常重要的因素。因為使用交換機的目的就是儘可能的減少和過濾網路中的資料流量，所以如果網路中的某臺交換機由於安裝位置設定不當，幾乎需要轉發接收到的所有資料包的話，交換機就無法發揮其最佳化網路效能的作用，反而降低了資料的傳輸速度，增加了網路延遲。
除安裝位置之外，如果在那些負載較小，資訊量較低的網路中也盲目新增交換機的話，同樣也可能起到負面影響。受資料包的處理時間、交換機的緩衝區大小以及需要重新生成新資料包等因素的影響，在這種情況下使用簡單的HUB要比交換機更為理想。因此，我們不能一概認為交換機就比HUB有優勢，尤其當用戶的網路並不擁擠，尚有很大的可利用空間時，使用HUB更能夠充分利用網路的現有資源。
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交換機的三種交換方式1。直通式（Cut Through）
直通方式的乙太網交換機可以理解為在各埠間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它在輸入埠檢測到一個數據包時，檢查該包的包頭，獲取包的目的地址，啟動內部的動態查詢錶轉換成相應的輸出埠，在輸入與輸出交叉處接通，把資料包直通到相應的埠，實現交換功能。由於不需要儲存，延遲非常小、交換非常快，這是它的優點。它的缺點是，因為資料包內容並沒有被乙太網交換機儲存下來，所以無法檢查所傳送的資料包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力。由於沒有快取，不能將具有不同速率的輸入/輸出埠直接接通，而且容易丟包。（獲取更多網路技術乾貨，請關注微信公眾號：網路技術聯盟站）
2。儲存轉發（Store & Forward）
儲存轉發方式是計算機網路領域應用最為廣泛的方式。它把輸入埠的資料包先儲存起來，然後進行CRC（迴圈冗餘碼校驗）檢查，在對錯誤包處理後才取出資料包的目的地址，透過查詢錶轉換成輸出埠送出包。正因如此，儲存轉發方式在資料處理時延時大，這是它的不足，但是它可以對進入交換機的資料包進行錯誤檢測，有效地改善網路效能。尤其重要的是它可以支援不同速度的埠間的轉換，保持高速埠與低速埠間的協同工作。
3。碎片隔離（Fragment Free）
這是介於前兩者之間的一種解決方案。它檢查資料包的長度是否夠64個位元組，如果小於64位元組，說明是假包，則丟棄該包；如果大於64位元組，則傳送該包。這種方式也不提供資料校驗。它的資料處理速度比儲存轉發方式快，但比直通式慢。
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交換機分類
從廣義上來看，交換機分為兩種：
廣域網交換機
和
區域網交換機
。廣域網交換機主要應用於電信領域，提供通訊用的基礎平臺。而區域網交換機則應用於區域網絡，用於連線終端裝置，如PC機及網路印表機等。
從
傳輸介質
和
傳輸速度
上可分為乙太網交換機、快速乙太網交換機、千兆乙太網交換機、FDDI交換機、ATM交換機和令牌環交換機等。
從
規模應用
上又可分為企業級交換機、部門級交換機和工作組交換機等。各廠商劃分的尺度並不是完全一致的，一般來講，企業級交換機都是機架式，部門級交換機可以是機架式（插槽數較少），也可以是固定配置式，而工作組級交換機為固定配置式（功能較為簡單）。另一方面，從應用的規模來看，作為骨幹交換機時，支援500個資訊點以上大型企業應用的交換機為企業級交換機，支援300個資訊點以下中型企業的交換機為部門級交換機，而支援100個資訊點以內的交換機為工作組級交換機。
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交換機功能
交換機的主要功能包括
物理編址、
網路拓撲結構、
錯誤校驗、
幀序列以及流控
VLAN（虛擬區域網）
鏈路匯聚
防火牆
交換機除了能夠連線同種型別的網路之外，還可以在不同型別的網路（如乙太網和快速乙太網）之間起到互連作用。如今許多交換機都能夠提供支援快速乙太網或FDDI等的高速連線埠，用於連線網路中的其它交換機或者為頻寬佔用量大的關鍵伺服器提供附加頻寬。
一般來說，交換機的每個埠都用來連線一個獨立的網段，但是有時為了提供更快的接入速度，我們可以把一些重要的網路計算機直接連線到交換機的埠上。這樣，網路的關鍵伺服器和重要使用者就擁有更快的接入速度，支援更大的資訊流量。
END
本篇完