开关的工作原理 详细介绍开关的用途及工作原理

开关的工作原理：

交换机建立接收到的数据帧中的源MAC地址与交换机端口的映射关系，并将其写入MAC地址表中。

交换机将数据帧中的目的MAC地址与已建立的MAC地址表进行比较，以确定转发哪个端口。

如果数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则将其转发到所有端口。 这个过程称为泛洪。

广播和组播帧被转发到所有端口。

开关的主要功能有3个：

学习：以太网交换机学习每个端口所连接设备的MAC地址，并将该地址映射到相应的端口，并将其存储在交换机缓存中的MAC地址表中。

转发/过滤：当数据帧的目的地址在MAC地址表中映射时，转发到与目的节点相连的端口，而不是所有端口（如果数据帧是广播/组播帧，则转发到目的节点）到所有端口）。

消除环路：当交换机存在冗余环路时，以太网交换机使用生成树协议来避免环路，同时允许存在备份路径。

开关的工作特性：

交换机每个端口所连接的网段是一个独立的冲突域。

与交换机连接的设备仍然处于同一个广播域中，即交换机不隔离广播（唯一的例外是在配备 VLAN 的环境中）。

交换机根据帧头中的信息进行转发，因此交换机是工作在数据链路层的网络设备。

开关的分类：

根据交换机处理帧的操作方式不同，主要可分为两类。

存储转发：交换机在转发之前必须接收整个帧并进行错误检测。 如果没有错误，则将帧发送到目标地址。 通过交换机转发帧的延迟随帧的长度而变化。

直通：交换机只要检查到帧头中包含的目的地址，就立即转发该帧，而不需要等待所有帧都收到，也不需要进行错误检查。 由于以太网帧头的长度始终是固定的，因此帧通过交换机的转发延迟也保持恒定。

注意：

直通转发速度比存储转发方式快得多，但可靠性较低，因为可能会转发冲突帧或CRC错误的帧。

生成树协议

消除循环：

由交换机组成的交换网络中通常会设计冗余链路和设备。 这样设计的目的是为了防止某一点故障导致整个网络功能丧失。 虽然冗余设计可以消除单点故障，但它也会导致开关环路的产生，从而导致以下问题。

广播风暴

同一帧的多个副本

MAC地址表不稳定

因此，交换网络中必须有一种防止环路的机制，生成树协议（Tree）就在其中发挥了作用。

生成树的工作原理：

生成树协议的国际标准是.1b。 运行生成树算法的网桥/交换机在指定的时间间隔（默认2秒）内通过网桥协议数据单元（BPDU）的组播帧与其他交换机交换配置信息。 工作流程如下：

通过比较网桥优先级来选择根网桥（给定的广播域中只有一个根网桥）。

其余的非根桥只有一个端口通向根交换机，称为根端口。

每个网段只有一个转发端口。

根交换机的所有连接端口均为转发端口。

注意：生成树协议一般在交换机上默认启用，无需人工干预即可正常工作。 然而，这种自动生成的解决方案可能会导致数据传输路径不理想。 因此，您可以通过手动设置网桥优先级来影响生成树的生成结果。

生成树状态：

运行生成树协议的交换机上的端口始终处于以下四种状态之一。 正常工作时，端口处于转发或阻塞状态。 当设备识别到网络拓扑发生变化时，交换机会自动执行状态转换，在此期间端口暂时处于侦听和学习状态。

阻塞：所有端口一开始就处于阻塞状态，以防止环路。 生成树决定哪个端口转变为转发状态。 处于阻塞状态的端口不转发数据，但可以接受BPDU。

监控：不转发，检测BPDU，（临时状态）。

：不转发，学习MAC地址表（临时状态）。

转发：端口可以转发和接收数据。

提示：实际上，交换机在实际使用时可能会出现一种特殊的端口状态——。 这是由于交换机配置不正确而导致端口故障或数据冲突而导致的死锁情况。 如果不是端口故障的原因，我们可以通过重启交换机来解决问题。

重新计算生成树：

当网络拓扑发生变化时，生成树协议重新计算，生成新的生成树结构。 当所有交换机的端口状态都变为转发或阻塞时，表示重新计算完成。 这种状态称为收敛（）。

注意：网络拓扑发生变化时，生成树收敛之前设备之间无法通信，这可能会对部分应用产生影响。 因此，一般认为，能够使生成树良好运行的交换网络不应超过七层。 此外，还可以使用一些特殊的交换技术来加快收敛时间。