【网络设备】交换机的概念、工作原理、功能以及以太网帧格式

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本文专栏：网络基础——带你走进网络世界

本专栏会持续更新网络基础知识，希望大家多多支持，让我们一起探索这个神奇而广阔的网络世界。

目录

一、认识交换机

二、交换机的主要功能

1、数据的转发

2、端口隔离

3、负载均衡和带宽控制

三、以太网帧格式

四、交换机的工作原理

1、接收数据帧

2、学习MAC地址

3、广播未知数据帧

4、记录MAC地址表

5、交换机实现单播通信

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前言

在计算机网络中，交换机是较为常用的设备，本文将谈谈交换机的概念、主要功能、工作原理以及以太网帧格式。

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一、认识交换机

交换机（Switch）全名叫做以太网交换机。是一种较为常见的网络设备，它的作用是在计算机网络中交换数据。目前最常用的交换机就是以太网交换机，除此之外，还有电话语音交换机、光纤交换机等等。如下图就是交换机：

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二、交换机的主要功能

交换机的主要功能包括以下几个方面：

1、数据的转发

交换机在接收到数据包后，会根据目标地址判断并将其转发到对应的端口，从而实现不同设备之间的通信。这种可以保证数据传输的高效性和稳定性。

2、端口隔离

交换机具有端口隔离的功能，能够将不同用户或者不同网络之间的数据进行隔离，防止出现数据泄露和信息安全问题。值得注意的是采用端口隔离会浪费有限的VLAN资源。

小知识：交换机还支持VLAN技术，通过划分VLAN，能够进一步加强网络的安全性和管理性。

3、负载均衡和带宽控制

当多台设备使用同一个交换机时，交换机可以实现负载均衡和带宽控制的功能。通过智能路由和流量控制，可以为不同设备提供不同的网络带宽和速度，从而达到更加高效的数据传输。

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三、以太网帧格式

802.3/802.2是以太网的最常见帧格式，它包含以下字段：

1. 前导码：用于与接收设备同步的7字节字段。
2. 帧起始定界符：这是一个特殊的字节，用于指示帧的开始。
3. 目的地址：这是一个6字节的字段，用于标识帧的目标设备。
4. 源地址：这也是一个6字节的字段，用于标识发送该帧的设备。
5. 类别：这个字段用于表示上层协议的类型。
6. 数据：这是帧的主要部分，包含实际传输的数据。
7. 帧校验序列（FCS）：这是一个包含32位循环冗余校验（CRC）的字段，用于验证数据是否在传输过程中出现损坏。

四、交换机的工作原理

交换机的工作流程主要包括以下几个步骤：

1、接收数据帧

当交换机接收到一个数据帧时，会先检查帧的目的MAC地址，然后根据目的MAC地址和自己的MAC地址表来判断应该将数据帧发送到哪个端口。

2、学习MAC地址

如果交换机的MAC地址表中没有对应的表项，它会将接收到的数据帧的源MAC地址和接收端口的映射关系添加到MAC地址表中。

小知识：如果在老化时间内再次收到该MAC地址的数据帧，交换机会刷新对应的MAC地址和端口的映射关系。

3、广播未知数据帧

如果数据帧的目的MAC地址不在MAC地址表中，或者目的MAC地址为广播地址，交换机会泛洪该帧，将该帧发送到除接收端口以外的所有端口。

名词解释：泛洪（Flooding）是交换机使用的一种数据流传递技术。当交换机从某个接口收到数据帧后，它会从除该接口之外的所有其他接口发送该数据帧。

4、记录MAC地址表

当交换机的MAC地址表中已经存在目的MAC地址的表项时，交换机会将接收到的数据帧的目的MAC地址和接收端口的映射关系记录到MAC地址表中。

5、交换机实现单播通信

当交换机需要发送数据给一个已知的目的MAC地址时，它会直接将数据帧发送到对应的端口。