前言

交换机的任务是接收入链路层帧并将它们转发到出链路;交换机自身对子网中的主机和路由器是透明的;这就是说，某主机/路由器向另一个主机/路由器寻址一个帧，顺利地将该帧发送进局域网，并不知道某交换机将会接收该帧并将它转发到另一个结点。这些帧到达该交换机的任何输出接口之一的速率可能暂时会超过该接口的链路容量。为了解决这个问题，交换机输出接口设有缓存，这非常类似于路由器接口为数据报设有缓存。现在我们来仔细考察交换机运行的原理

一、交换机转发和过滤

过滤是决定一个帧应该转发到某个接口还是应当将其丢弃的交换机功能。
转发是决定一个帧应该被导向哪个接口，并把该帧移动到那些接口的交换机功能。

交换机的过滤和转发借助于交换机表完成。该交换机表包含某局域网上某些主机和路由器的但不是全部的表项。
交换机表中的一个表项包含:

①一个MAC地址;
②通向该MAC地址的交换机接口;
③表项放置在表中的时间。

交换机的交换机表的一部分：
在这里插入图片描述

尽管帧转发的描述听起来类似于路由器的数据转发，但我们将很快看到它们之间有重要的差异。一个重要差异是交换机转发分组基于MAC地址而不是基于IP地址。我们也将看到交换机表与路由器的转发表的构造方式有很大差别。

二、帧来到交换机可能发生的情况

假定目的地址为DD-DD- DD-DD-DD-DD 的帧从交换机接口x到达。交换机用MAC地址 DD-DD-DD-DD-DD-DD索引它的表。有3种可能的情况:

表中没有对于DD-DD-DD-DD- DD-DD的表项。在这种情况下,交换机向除接口x外的所有接口前面的输出缓存转发该帧的副本。换言之，如果没有对于目的地址的表项,交换机广播该帧。
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD与接口x联系起来。在这种情况下，该帧从包括适配器DD- DD- DD-DD-DD-DD的局域网网段到来。无需将该帧转发到任何其他接口,交换机通过执行过滤功能丢弃该帧即可。（和上表中目的地址为62-FE-F7-11-89-A3的一个帧从接口1到达该交换机。交换机检查它的表并且发现其目的地是在与接口1相连的局域网网段上，表明已经在目的网段上广播过了直接过滤）
表中有一个表项将DD-DD-DD-DD-DD-DD与接口y≠x联系起来。在这种情况下,该帧需要被转发到与接口y相连的局域网网段。交换机通过将该帧放到接口y前面的输出缓存完成转发功能。

三、自学习

看起来，交换机比集线器更为“聪明”。但是一开始这个交换机表是如何配置起来的呢? 链路层有与网络层路由选择协议等价的协议吗? 或者必须要一名超负荷工作的管理员人工地配置交换机表吗?

交换机具有令人惊奇的特性，那就是它的表是自动、动态和自治地建立的,即没有来自网络管理员或来自配置协议的任何干预。换句话说，交换机是自学习的。
这种能力是以如下方式实现的:

交换机表初始为空。
对于在每个接口接收到的每个入帧，该交换机在其表中存储:
①在该帧源地址字段中的MAC地址;
②该帧到达的接口;
③当前时间。
交换机以这种方式在它的表中记录了发送结点所在的局域网网段。如果在局域网上的每个结点最终都发送了一个帧,则每个结点最终将在这张表中留有记录。
如果在一段时间后,交换机没有接收到以该地址作为源地址的帧，就在表中删除这个地址。

三、链路交换机的性质

消除碰撞：在使用交换机（不使用集线器)构建的局域网中,没有因碰撞而浪费的带宽!交换机缓存帧并且决不会在网段上同时传输多于一个帧。就像使用路由器一样，交换机的最大聚合带宽是该交换机所有接口速率之和。因此,交换机提供了比使用广播链路的局域网高得多的性能改善。
异质的链路：交换机将链路彼此隔离，因此局域网中的不同链路能够以不同的速率运行并且能够在不同的媒体上运行。
管理：交换机易于进行网络管理。例如，如果一个适配器工作异常并持续发送以太网帧，交换机能够检测到该问题，并在内部断开异常适配器。有了这种特色，网络管理员不用起床并开车到工作场所去解决这个问题。类似地，一条割断的缆线仅使得使用该条缆线连接到交换机的主机断开连接。在使用同轴电缆的时代，许多网络管理员花费几个小时“沿线巡检”，以找到使整个网络瘫痪的电缆断开之处。

四、交换机和路由器比较

路由器是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。尽管交换机也是一个存储转发分组交换机,但它和路由器是根本不同的，因为它用MAC 地址转发分组。交换机是链路层的分组交换机，而路由器是网络层的分组交换机。
在这里插入图片描述

即使交换机和路由器从根本上是不同的，网络管理员在安装互联设备时也经常必须在它们之间进行选择。
那么这两种方式的优点和缺点各是什么呢?
首先考虑交换机的优点和缺点：

交换机是即插即用的，这是世界上所有网络管理员都喜爱的特性。
交换机还能够具有相对高的分组过滤和转发速率，就像上图中所示的那样，交换机必须处理高至第二层的帧,而路由器必须处理高至第三层的数据报。
为了防止广播帧的循环，交换网络的活跃拓扑限制为一棵生成树。另外，一个大型交换网络将要求在主机和路由器中有大的ARP表，这将生成可观的ARP流量和处理量。
交换机对于广播风暴并不提供任何保护措施，即如果某主机出了故障并传输出没完没了的以太网广播帧流，该交换机将转发所有这些帧,使得整个以太网的崩溃。

现在考虑路由器的优点和缺点:

因为网络寻址通常是分层次的（不像MAC寻址那样是扁平的)，即使当网络中存在冗余路径时，分组通常也不会通过路由器循环。分组就不会被限制到一棵生成树上，并可以使用源和目的地之间的最佳路径。
因为路由器没有生成树限制，所以它们允许以丰富的拓扑结构构建因特网，例如包括欧洲和北美之间的多条活跃链路。
路由器的另一个特色是它们对链路层的广播风暴提供了防火墙保护。
也许路由器最重要的缺点就是它们不是即插即用的，即路由器和连接到它们的主机都需要人为地配置IP地址。
路由器对每个分组的处理时间通常比交换机更长,因为它们必须处理高达第三层的字段。

	集线器	交换机	路由器
流量隔离	无	有	有
即插即用	有	有	无
优化路由	无	无	有

给出了交换机和路由器各自具有的优点和缺点后，一个机构的网络（例如,大学校园网或者公司园区网）什么时候应该使用交换机,什么时候应该使用路由器呢?
通常，由几百台主机组成的小网络通常有几个局域网网段。对于这些小网络,交换机就足够了，因为它们不要求IP地址的任何配置就能使流量局部化并增加总计吞吐量。
但是在由几千台主机组成的更大网络中，通常在网络中（除了交换机之外）还包括路由器。路由器提供了更健壮的流量隔离方式和对广播风暴的控制,并在网络的主机之间使用更“智能的”路由。