交换机如何转发帧

交换机是现代网络中用于连接 LAN 内设备的设备，比集线器智能得多。交换机不会盲目地重复数据，而是读取地址，然后只将每个帧转发到目标设备所在的端口。这一项改变大幅提升了速度、效率和安全性。本课程将准确讲解交换机如何做出这些转发决策。

交换机工作在数据链路层（OSI 模型的第 2 层）。在这一层，数据会被组织成帧，每台设备的网卡都具有唯一的MAC 地址（媒体访问控制地址）。交换机会读取帧中的 MAC 地址，以决定将帧发送到何处，这就是它被称为第 2 层设备的原因。

每个以太网帧都携带两个 MAC 地址：一个源地址（发送者），以及一个目的地址（接收者）。交换机会检查每个帧中的这些地址。通过记录每个 MAC 地址位于哪个端口，交换机就能精确地交付帧，而不是像集线器那样将帧泛洪到各处。

交换机通过学习来建立自己的信息。当帧到达时，交换机会记录源 MAC 地址以及帧进入的端口，并将这对信息存储在MAC 地址表中。随着设备不断发送流量，交换机会逐渐学会每台设备所在的位置。这种自动学习无需配置，并且会持续进行。

要转发一个帧，交换机会将目的 MAC与其表进行比对：

• 已知地址 — 仅从匹配的端口发送该帧。
• 未知地址 — 从除接收端口以外的所有端口泛洪该帧。

目的设备回复后，交换机也会学会它的位置，因此后续帧可以直接发送到那里。

当交换机还不知道目的 MAC 位于何处时，它会像集线器一样，从除源端口以外的每个端口泛洪该帧。但这只是暂时的：目的设备一旦响应，交换机就会学会其端口，并停止为该地址进行泛洪。因此，泛洪是一种后备机制，而不是正常行为，并且地址表很快就会补充完整。

每个交换机端口都以全双工方式运行，可以同时发送和接收数据，并为连接的设备提供专用带宽，而不是共享管道。这消除了困扰集线器的冲突，使每台设备都能同时以全速运行。这是交换式网络性能远远超过基于集线器的网络的一个重要原因。

MAC 表不会无限增长。每个条目都有一个老化计时器；如果交换机在设定时间内没有再听到来自某个 MAC 地址的流量，就会移除该条目。这样可以在设备移动或断开连接时保持表的最新状态。如果设备之后再次发送数据，交换机只需重新学习其位置，就能保持转发准确。

交换机会以不同方式处理不同类型的帧：

• 单播 — 发往一台设备；如果地址已知，就转发到该设备所在的一个端口。
• 广播 — 发往所有设备；从每个端口发送出去。
• 多播 — 发往一个组；进行泛洪，或借助额外功能有选择地发送。

广播始终会传播到整个交换机，这一点对于后续学习广播域时很重要。

交换机可以用不同方式转发帧。存储转发会接收完整的帧，检查其中是否有错误，然后再进行转发——准确但稍慢。直通转发在读取目的地址后就立即开始转发——速度更快，但无法检测错误。大多数现代交换机使用存储转发，以确保可靠性。了解这两种方式，以及它们在速度与准确性之间的取舍，对考试很有帮助。

通过智能转发，交换机相较于集线器带来了三项重要优势：专用全双工端口带来的更高性能；由于每个端口都是独立的冲突域而产生的更少冲突；以及由于帧不会发送给每台设备而带来的更高安全性。这些优势正是交换机全面取代集线器并成为每个现代 LAN 骨干的原因。

测试您对交换机的理解。

您已经了解到，交换机是第 2 层设备，会读取帧中的MAC 地址并进行智能转发。它会将源 MAC 地址及其端口学习到MAC 地址表中，然后将已知目的地址的帧从单个端口转发出去，并暂时对未知地址进行泛洪。每个端口都是全双工并拥有专用带宽，从而消除了冲突。表中的条目会老化移除，以保持最新状态。交换机在速度、冲突控制和安全性方面都优于集线器，为每个现代 LAN 提供支持。