【干货】交换机基础知识大全，网工学者必懂！
交换机的定义
网络节点上话务承载装置、交换级、控制和信令设备以及其他功能单元的集合体。交换机能把用户线路、电信电路和(或)其他要互连的功能单元根据单个用户的请求连接起来。
简单的说，交换机(英文:Switch，意为“开关”)是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。广义的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。
在计算机网络系统中，交换概念的提出改进了共享工作模式。我们以前介绍过的HUB集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。
交换机工作原理
工作在数据链路层。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。
使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照MAC地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的网段，连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2x10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。
总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。
交换机的作用与功能
交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。目前交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。
学习
以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。
转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。
消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。
交换机除了能够连接同种类型的网络之外，还可以在不同类型的网络（如以太网和快速以太网）之间起到互连作用。如今许多交换机都能够提供支持快速以太网或FDDI等的高速连接端口，用于连接网络中的其它交换机或者为带宽占用量大的关键服务器提供附加带宽。
一般来说，交换机的每个端口都用来连接一个独立的网段，但是有时为了提供更快的接入速度，我们可以把一些重要的网络计算机直接连接到交换机的端口上。这样，网络的关键服务器和重要用户就拥有更快的接入速度，支持更大的信息流量。
总结一下交换机功能
像集线器一样，交换机提供了大量可供线缆连接的端口，这样可以采用星型拓扑布线。
像中继器、集线器和网桥那样，当它转发帧时，交换机会重新产生一个不失真的方形电信号。
像网桥那样，交换机在每个端口上都使用相同的转发或过滤逻辑。
像网桥那样，交换机将局域网分为多个冲突域，每个冲突域都是有独立的宽带，因此大大提高了局域网的带宽。
除了具有网桥、集线器和中继器的功能以外，交换机还提供了更先进的功能，如虚拟局域网（VLAN）和更高的性能。
交换机的分类
交换机的分类方法有很多种，有根据转发方式分、根据对称性分、根据缓存方式分，还有根据功能分的。
1.根据转发方式分
当交换机一个端口收到一个数据帧后，是等接收完整个数据帧后在转发，还是仅接收到部分数据帧后就开始转发。根据转发决定的早晚，交换分为存储式转发（Store-and-Forward）和准直通式转发（Cut-through）。
(1)存储式转发（Store-and-Forward）
在存储式转发（Store-and-Forward）中，当交换机接收到数据帧后，交换机把数据存储在缓冲区，直到接收了完整的帧。在存储转发过程中，交换机除了分析数据帧的目的地址外，还执行CRC（循环冗余校验）。CRC检查失败的帧将被交换机丢弃。
(2)准直通式转发（Cut-through）
在准直通式转发（Cut-through）中，交换机接收到数据后即开始处理，并不需要等到接收到完整的数据帧后才开始处理。交换机只缓存帧的目的MAC地址，以便确定目的端口。在Cut-through中，交换机是并不执行任何检查的，因此如果传输了一些错误的帧，就容易浪费网络带宽。
为了解决Cut-through中错误帧的问题，Cut-through又被分为了两种类型：
1、Fast-Forward(快速转发)，是收到一个数据帧的14个字节就开始转发，它是典型的Cut-through交换方法；
2、Fragment-Free(无碎片式转发)，是收到一个数据帧的64个字节就开始转发，为什么是64个字节呢？因为大多数网络错误都是发生在前64个字节的。
因为Fast-Forward是典型的Cut-through，所以有很多文档将交换机的转发方式分为：Store-and-Forward，Cut-through，Fragment-Free。如下表对这三种转发方式作了对比：
2.根据对称性分
根据交换机端口速度的不同，可以分为对称式（Symmetric）交换机和非对称式（Asymmetric）交换机。
(1)对称式（Symmetric）交换机
非对称式交换机是指所有端口的速率并不一样，比如大多数是百兆，少数几个端口是千兆的，快速端口一般用来连接到主干或连接到服务器。
(2)非对称式（Asymmetric）交换机
对称交换机是所有端口速率都是一样的。为了提供更大的灵活性，当前大多数交换机都被设计成非对称式交换机。
3.根据缓存方式分
交换机根据转发方式分析部分或全部数据帧后，然后把数据帧发往目的地。在转发前，交换机需要存储数据帧。在去往目的端口时，交换发生拥塞时，交换机也需要存储帧。
根据缓存区域划分的方式，有两种缓存方式：
基于端口 2.共享内存。
（1）基于端口内存缓冲
内存是基于每个端口分配的，每个端口都有固定的缓存空间，用来存储收到的数据包。
（2）共享内存缓冲
所有端口共享一个内存，每个端口拥有的内存空间可以根据可用的共用内存空间来动态的调整。
4.根据功能分
根据交换机所处的OSI功能层，可以分为二层交换机和三层交换机。
(1)二层交换机
根据OSI数据链路层的MAC地址转发或过滤数据帧，处在OSI七层模型的第二层，所以也叫二层交换机。二层交换机对网络协议和用户应用程序是完全透明的。
(2)三层交换机
三层交换机不仅可以使用第二层的MAC地址转发和过滤，还可以使用第三层的IP地址信息。三层交换机不仅学习MAC地址和对应端口，还有能力执行第三层的路由功能。三层交换机处在OSI七层模型的第三层，所以叫三层交换机。