《计算机网络》深入学：以太网交换机原理与应用

4.1 引言

在现代计算机网络中，以太网交换机（Ethernet Switch）是构建局域网（LAN）的基石。无论是家庭网络、企业办公网还是大型数据中心，交换机都扮演着数据"交通枢纽"的角色。本章将深入探讨交换机的发展历程、核心工作原理、交换架构以及在现代网络中的应用。

4.2 以太网设备的演进历史

要理解交换机为何如此重要，首先需要回顾以太网连接设备的演变过程。这一过程体现了网络对带宽利用率和传输效率不断追求的历史。

4.2.1 从共享介质到集线器（Hub）

早期的以太网基于同轴电缆，采用总线型拓扑。所有计算机连接在同一根线缆上，这意味着同一时刻只能有一台设备发送数据，否则会发生"冲突"（Collision）。

为了简化布线，集线器（Hub）应运而生。集线器工作在 OSI 模型的第一层（物理层）。它的工作极其简单：从一个端口接收到的信号，会原封不动地被整形放大并广播到所有其他端口。

图 4-1：集线器的工作模式示意图

集线器的缺点显而易见：

带宽共享 ：如果集线器的总带宽是 100 Mbps 100 \text{ Mbps} 100 Mbps，连接了 10 10 10 台设备，每台设备平均只能获得 10 Mbps 10 \text{ Mbps} 10 Mbps。
安全隐患：所有数据被广播，任何节点都能抓包窃听。
冲突域（Collision Domain）：所有端口属于同一个冲突域，设备越多，冲突概率越大，网络越拥堵。

4.2.2 网桥（Bridge）的出现

为了解决冲突问题，网桥诞生了。网桥工作在 OSI 模型的第二层（数据链路层）。它能够识别 MAC 地址，并将网络分割成两个冲突域。网桥通过软件处理数据帧，虽然隔离了冲突，但只有两个端口，且处理速度较慢，未能大规模普及。

4.2.3 交换机（Switch）的革命

以太网交换机本质上是一个"多端口的高速网桥"。它结合了集线器的多端口特性和网桥的智能转发特性，并利用专用集成电路（ASIC）在硬件层面实现高速转发。

交换机将每一个端口都划分成一个独立的冲突域。这意味着，端口 1 和端口 2 通信的同时，端口 3 和端口 4 也可以同时通信，互不干扰。

4.3 交换机的工作原理

交换机工作在数据链路层，其核心任务是根据数据帧中的**MAC 地址（媒体访问控制地址）**来决定数据的去向。

4.3.1 核心组件：MAC 地址表

交换机内部维护着一张"MAC 地址表"（也称为 CAM 表，内容可寻址存储器表）。这张表记录了：

MAC 地址：网络设备的物理地址。
端口号：该设备连接在交换机的哪个接口上。
老化时间：条目存在的有效时长。

4.3.2 交换机的三个基本操作

交换机处理数据帧的过程可以概括为三个动作：学习（Learning）、转发（Forwarding）、泛洪（Flooding）。

假设有一个新的交换机，其地址表为空。连接了主机 A（MAC_A，接端口 1）和主机 B（MAC_B，接端口 2）。

学习（Learning）：
- 当主机 A 向主机 B 发送一帧数据时，数据进入交换机的端口 1。
- 交换机检查帧的源 MAC 地址（Source MAC）。
- 交换机在 MAC 地址表中记录：MAC_A 位于 Port 1。
- 原理：既然数据从端口 1 进来，那么回复给 A 的数据自然也要从端口 1 出去。
泛洪（Flooding）：
- 交换机接着检查帧的目的 MAC 地址 （Destination MAC），发现是 MAC_B。
- 查询 MAC 地址表，发现表中没有 MAC_B 的记录（因为是新交换机，还没"认识"B）。
- 交换机不得不将该数据帧复制并发送到除接收端口（端口 1）以外的所有端口。
- 注意：这一步类似于集线器，但仅发生在地址未知或广播帧的情况下。
转发（Forwarding）：
- 主机 B 收到数据后，向 A 回复确认信息。
- 数据进入交换机端口 2。
- 交换机再次执行"学习"：记录 MAC_B 位于 Port 2。
- 交换机检查目的 MAC（此时是 MAC_A）。查询地址表，发现 MAC_A 对应 Port 1。
- 交换机将数据单播（Unicast）直接从端口 2 转发到端口 1，而不会发送给其他无关端口。

图 4-2：交换机建立 MAC 地址表的过程

4.3.3 冲突域与广播域

在学习交换机原理时，必须理清两个概念的区别：

冲突域（Collision Domain） ：在同一个介质上，同时发送数据会产生冲突的区域。
- 结论：交换机的每一个端口都是一个独立的冲突域。
广播域（Broadcast Domain） ：广播帧（目标 MAC 为 F F − F F − F F − F F − F F − F F FF-FF-FF-FF-FF-FF FF−FF−FF−FF−FF−FF）所能到达的范围。
- 结论：默认情况下，整台交换机属于同一个广播域。如果广播流量过大，会造成"广播风暴"，降低网络效率。

4.4 交换机的转发方式

交换机在处理数据帧时，根据对延迟和可靠性的不同需求，主要有三种转发模式：

存储转发（Store-and-Forward）：
- 交换机接收完整的帧，进行 CRC（循环冗余校验）错误检查。
- 如果帧无误，则查表转发；如果有错，直接丢弃。
- 优点：可靠性高，不转发错误帧。
- 缺点：延迟较高，延迟大小与帧长度成正比。这是目前最主流的模式。
直通转发（Cut-Through）：
- 交换机一旦读到目的 MAC 地址（在前 6 6 6 个字节中），就立即开始转发，不等待后续数据，也不进行错误校验。
- 优点：延迟极低，恒定延迟。
- 缺点：会将错误帧（如残帧）转发到网络中，浪费带宽。
无碎片转发（Fragment-Free）：
- 读取帧的前 64 64 64 字节（以太网最小帧长）后开始转发。
- 原理：大多数冲突都发生在前 64 64 64 字节。
- 这是前两种模式的折中方案。

4.5 关键技术扩展

随着网络规模的扩大，仅靠基础交换功能已无法满足需求，以下技术大大扩展了交换机的应用场景。

4.5.1 虚拟局域网（VLAN）

为了解决交换机默认处于同一个广播域导致的安全和性能问题，引入了 VLAN 技术。

VLAN 将一台物理交换机在逻辑上划分为多个虚拟交换机。例如，将端口 1-10 划入 VLAN 10（财务部），端口 11-20 划入 VLAN 20（工程部）。

效果：VLAN 10 的广播帧不会到达 VLAN 20，实现了广播域的隔离和安全访问控制。

4.5.2 生成树协议（STP）

为了提高可靠性，网络通常会有冗余链路（例如两台交换机之间连两根线）。但这会形成物理环路，导致广播风暴瞬间瘫痪网络。

STP（Spanning Tree Protocol）通过算法逻辑地阻塞某个端口，打破环路。当主链路故障时，被阻塞的端口会自动激活，恢复通信。

图 4-3：VLAN 与 STP 的应用场景

4.6 现代应用与三层交换

4.6.1 三层交换机（Layer 3 Switch）

传统的二层交换机无法实现不同 VLAN 之间的通信（因为需要路由功能）。三层交换机在二层交换机的基础上，集成了路由器的部分路由功能（三层 IP 转发）。

它实现了"一次路由，多次交换"，在企业核心网中，三层交换机已基本取代了传统的"路由器+交换机"的内部组网模式，提供线速的 VLAN 间路由。

4.6.2 数据中心与 SDN

在现代云计算数据中心，交换机的发展呈现出以下趋势：

高带宽 ：端口速率从 1 Gbps 1 \text{ Gbps} 1 Gbps 向 10 Gbps 10 \text{ Gbps} 10 Gbps、 40 Gbps 40 \text{ Gbps} 40 Gbps、 100 Gbps 100 \text{ Gbps} 100 Gbps 甚至 400 Gbps 400 \text{ Gbps} 400 Gbps 演进。
叶脊架构（Spine-Leaf）：取代了传统的树状架构，确保服务器之间的横向流量（East-West Traffic）具有低延迟和高带宽。
SDN（软件定义网络）：将交换机的控制平面（大脑）与数据平面（转发硬件）分离。管理员可以通过编写程序集中控制成百上千台交换机，而不是逐台配置，极大地提高了运维效率。

本章小结

以太网交换机通过隔离冲突域、维护 MAC 地址表和智能转发，彻底改变了局域网的性能。从基础的二层转发到 VLAN 隔离，再到三层路由交换及现代 SDN 技术，交换机始终随着网络需求的变化而进化。对于计算机专业的学生而言，深刻理解 MAC 地址学习机制和 VLAN 原理，是掌握复杂网络架构的必经之路。