交换机的工作原理及选型依据
交换机的工作原理
交换机的工作原理交换机是计算机网络中的核心设备之一，用于实现局域网内计算机之间的数据交换和通信。
它能够根据目的地址将数据包转发到正确的目标设备，提供高效的网络连接和通信服务。
下面将详细介绍交换机的工作原理。
一、交换机的基本原理1. 数据链路层交换机工作在OSI模型的第二层，即数据链路层。
它通过物理接口接收数据帧，解析帧头中的目的MAC地址，根据该地址进行转发决策。
2. MAC地址表交换机内部维护着一个MAC地址表，记录了连接到交换机的设备的MAC地址和对应的物理接口。
当交换机接收到一个数据帧时，它会检查帧头中的目的MAC地址，并在MAC地址表中查找该地址对应的接口。
如果找到匹配项，交换机会将数据帧转发到相应接口；如果找不到匹配项，交换机会将数据帧广播到所有接口（除了源接口）。
3. 学习过程当交换机接收到一个数据帧时，它会将源MAC地址和接收到该帧的接口添加到MAC地址表中。
这个过程称为学习。
通过学习过程，交换机逐渐建立起MAC地址表，提高了数据转发的效率。
4. 数据转发当交换机接收到一个数据帧时，它会根据目的MAC地址在MAC地址表中查找对应的接口。
如果找到匹配项，交换机会将数据帧仅转发到目标接口；如果找不到匹配项，交换机会将数据帧广播到所有接口（除了源接口）。
二、交换机的工作模式1. 存储转发存储转发是交换机最常见的工作模式。
在存储转发模式下，交换机会先接收完整的数据帧，并进行错误检测。
惟独当数据帧完整且无误时，交换机才会进行转发。
这种模式能够保证数据的完整性和可靠性，但延迟较高。
2. 直通转发直通转发是一种基于硬件的快速转发模式。
在直通转发模式下，交换机会在接收到数据帧的同时进行转发，无需等待整个数据帧接收完毕。
这种模式能够提供更低的延迟，适合于对实时性要求较高的应用场景。
三、交换机的性能指标1. 转发速率转发速率是衡量交换机性能的重要指标之一，通常以Mbps或者Gbps表示。
它表示交换机能够处理的最大数据量，越高越好。
华为交换机的基本原理讲解
华为交换机的基本原理讲解华为交换机是一种用于实现网络通信的设备，它通过接收和转发网络数据包来实现不同设备之间的通信。
交换机的基本原理可以分为以下几个方面：1. 数据链路层：华为交换机工作在OSI模型的第二层，即数据链路层。
它通过物理接口连接到计算机、服务器、路由器等网络设备上，并且通过MAC地址来标识每个设备。
2. MAC地址学习：交换机通过学习网络中各个设备的MAC地址，建立一个MAC地址表。
当交换机接收到一个数据包时，它会查找目标MAC地址，并且将该数据包转发给目标设备。
通过学习和更新MAC 地址表，交换机可以根据MAC地址快速定位目标设备。
3. 数据转发：交换机通过查找MAC地址表，将数据包从一个接口转发到另一个接口。
交换机可以根据目标MAC地址进行直接转发，也可以使用虚拟局域网（VLAN）来划分网络，并实现不同VLAN之间的数据转发。
4. 广播和多播处理：交换机可以处理广播和多播数据包。
当交换机收到一个广播数据包时，它会将该数据包转发到所有其他接口，以便所有设备都能接收到广播消息。
而对于多播数据包，交换机会根据多播组成员的信息，将数据包只转发给加入了该多播组的设备。
5. 网络安全：华为交换机还具有一些网络安全功能，如端口安全、VLAN安全、访问控制列表（ACL）等。
这些功能可以帮助防止未经授权的访问和网络攻击，保护网络的安全性。
总结起来，华为交换机通过学习和转发数据包的方式实现不同设备之间的通信。
它利用MAC地址表来定位目标设备，并且支持广播、多播等特殊数据包的处理。
此外，交换机还提供一些网络安全功能，确保网络的安全性。
这些基本原理帮助交换机实现高效的数据转发和网络通信。
交换机培训资料
介绍选择园区网交换机的因素和方法，包括 性能、功能、可靠性、扩展性等。
城域网应用场景
城域网概述
介绍城域网络的组成、 特点和架构，阐述交换 机在城域网中的地位
接入层交换机
介绍核心层交换机的特 点、功能和部署位置， 以及在城域网中的连接 方式。
介绍汇聚层交换机的特 点、功能和部署位置， 以及在城域网中的连接 方式。
交换引擎性能
通常用吞吐量、转发率等指标 来衡量。
交换引擎可扩展性
指交换引擎能够支持的端口数 量、速率等参数的可扩展性。
交换机的其他技术参数
MAC地址表大小
指交换机能够学习到的MAC地址数量。
QoS支持
指交换机支持的QoS功能，如优先级标记 、队列调度等。
VLAN支持
指交换机支持的VLAN数量和类型。
随着网络规模的不断扩大和复杂性的增加，交换机的功能 和性能也越来越强大，成为网络工程师必须掌握的重要技 能之一。
02
交换机分类
按规模分类
小型交换机
适用于小型网络环境，一般具有 10-24个端口，如10/100Mbps 端口。
中型交换机
适用于中型网络环境，一般具有 24-48个端口，同时支持 10/100Mbps和1000Mbps端口 。
02
用户对网络性能的需求不断提高，要求交换机具有更高的吞吐
量、更低的延迟和更好的服务质量。
安全问题日益突出，交换机需要具备更强大的安全防护能力，
03
以应对不断变化的网络安全威胁。
技术创新发展趋势
硬件加速
通过使用专用硬件来加速数据交换和处理，提高交换机的性能。
人工智能和机器学习
利用人工智能和机器学习技术来优化网络性能，提高网络管理和 维护效率。
交换机和路由器工作原理
交换机和路由器工作原理交换机和路由器是计算机网络中常用的两种设备，它们在网络通信中起着重要作用。
本文将分别介绍交换机和路由器的工作原理。
一、交换机的工作原理交换机是一种用于局域网的设备，它通过MAC地址进行数据包的转发。
当一台计算机发送数据包时，交换机会根据数据包中的目标MAC地址，将数据包转发到目标MAC地址所对应的端口上。
交换机在转发数据包时，会记录下源MAC地址与对应的端口，以便下次转发时能够快速找到目标端口。
交换机的工作原理可以分为两个阶段：学习阶段和转发阶段。
1. 学习阶段：当交换机收到一个数据包时，它会提取出数据包中的源MAC地址，并将该地址与接收到数据包的端口绑定起来。
如果交换机之前没有接收过该源MAC地址，则会将该地址与接收到数据包的端口绑定起来。
通过这种方式，交换机逐渐学习到网络中各个设备的MAC地址与端口的对应关系。
2. 转发阶段：当交换机收到一个数据包时，它会查找数据包中的目标MAC地址所对应的端口，并将数据包转发到该端口上。
如果交换机之前没有接收到过目标MAC地址，则会将数据包广播到所有端口上。
当目标设备回复数据包时，交换机会将源MAC地址与对应端口的绑定关系更新。
这样，交换机在转发数据包时就能够根据学习到的MAC地址与端口的对应关系，快速找到目标端口，实现数据包的高效转发。
二、路由器的工作原理路由器是一种用于连接不同网络的设备，它通过IP地址进行数据包的转发。
当一台计算机发送数据包时，路由器会根据数据包中的目标IP地址，将数据包转发到目标IP地址所在的网络。
路由器的工作原理可以分为三个阶段：接收阶段、转发阶段和发送阶段。
1. 接收阶段：当路由器接收到一个数据包时，它会提取出数据包中的目标IP地址，并查找路由表来确定数据包的下一跳。
路由表是路由器内部存储的一张表格，记录了各个网络的IP地址和对应的下一跳。
通过查找路由表，路由器可以确定数据包的下一跳地址。
2. 转发阶段：在转发阶段，路由器根据路由表确定数据包的下一跳地址，并将数据包转发到相应的接口上。
交换机的工作原理及选型依据
交换机的工作原理及选型依据交换机是计算机网络中的一种设备，用于在局域网（LAN）或广域网（WAN）中转发数据，并实现数据包的转发、分配、选择和过滤等功能。
它是网络通信中的关键设备之一，起到了网络通信的桥梁作用。
1.数据链路层的作用：交换机工作在数据链路层（第二层），它使用物理地址（MAC地址）来进行数据的传输，并通过物理端口来识别和连接其他设备。
2.广播域和碰撞域的划分：交换机能够根据MAC地址学习和过滤数据包，从而将数据包只发送给目标设备，而不是广播给整个网络。
这样可以有效地减少网络中的广播域和碰撞域，提高网络的传输效率。
3.MAC地址表的使用：交换机通过学习MAC地址，将MAC地址与对应的物理端口进行绑定，并建立一个MAC地址表。
当交换机收到数据包时，会查找MAC地址表，根据目标MAC地址将数据包转发到对应的物理端口上，从而实现了数据的有针对性转发。
4.交换机的转发方法：交换机有三种转发数据包的方法，分别是存储转发、直通式转发和片段转发。
-存储转发：交换机在接收到数据包之后，会将整个数据包都存储下来，然后再进行转发。
这种方式具有较高的转发准确性和较好的差错检测能力，适用于需要高安全性和可靠性的场景。
-直通式转发：交换机在接收到数据包之后，会直接将数据包转发给目标设备，而不需要存储下来。
这种方式具有较低的延迟和较高的转发速度，适用于需要低延迟和高速传输的场景。
-片段转发：交换机会将数据包分成多个片段，并根据目标MAC地址将不同片段分别转发到不同的物理端口上，从而提高传输效率。
5.交换机的选型依据：-转发速度：交换机的转发速度是衡量其性能的重要指标之一、选择合适的交换机需要根据网络的规模和带宽需求来确定，通常需要考虑交换机的转发速度是否能够满足网络中的数据传输需求。
-端口数量：交换机应当具备足够的端口数量来满足网络中设备的连接需求。
根据网络规模和设备数量，选择端口数量适当的交换机是必要的。
-可管理性：一些高级交换机提供了远程管理、带宽控制、安全设置和故障排除等功能，这些功能在网络管理方面非常有用。
交换机和路由器工作原理
交换机和路由器工作原理一、交换机的工作原理交换机是计算机网络中的一种设备，主要用于在局域网中传输数据。
它的工作原理是通过学习和转发数据帧来实现数据的传输和交换。
1. 数据帧的传输交换机通过物理接口与计算机连接，接收到计算机发送的数据帧后，会根据数据帧中的目的MAC地址进行转发。
它会在内部的转发表中查找目的MAC地址对应的接口，然后将数据帧发送到相应的接口，从而实现数据的传输。
2. 学习和转发交换机在转发数据帧的同时，会学习到源MAC地址和对应的接口信息，并将其存储在转发表中。
当接收到新的数据帧时，交换机会先查找转发表，如果找到了目的MAC地址对应的接口，就直接转发到相应的接口；如果没有找到，则会广播到所有的接口。
通过这种学习和转发的方式，交换机可以动态地更新转发表，从而提高数据传输的效率。
3. 广播和多播除了点对点的数据传输外，交换机还支持广播和多播。
当交换机接收到广播或多播数据帧时，会广播到所有的接口，从而使所有的计算机都能接收到相应的数据。
二、路由器的工作原理路由器是计算机网络中的一种设备，主要用于在不同网络之间传输数据。
它的工作原理是通过路由选择算法来确定数据的最佳传输路径，从而实现数据的路由和转发。
1. 路由选择路由器通过学习网络拓扑和路由信息来确定数据的传输路径。
它会维护一个路由表，记录了不同网络之间的连接关系和最佳路径。
当接收到数据包时，路由器会根据目的IP地址查询路由表，找到下一跳的地址，并将数据包发送到相应的接口。
2. 路由协议为了实现路由选择，路由器需要使用路由协议来交换路由信息。
常用的路由协议有RIP、OSPF和BGP等。
这些协议可以根据网络的拓扑和链路状态进行动态调整，从而实现最优路径的选择。
3. 网络分割和连接路由器可以将不同网络进行分割和连接。
当接收到数据包时，路由器会根据目的IP地址的网络前缀将数据包转发到相应的网络。
同时，路由器还可以将多个网络连接起来，实现不同网络之间的通信。
工业交换机选型标准
工业交换机选型标准在工业自动化、智能制造等领域，工业交换机作为数据传输的核心设备，其选型至关重要。
一个合适的工业交换机不仅能够保证数据传输的稳定性和可靠性，还能提高生产效率，降低维护成本。
因此，在进行工业交换机选型时，需要遵循一定的标准和原则。
本文将详细阐述工业交换机的选型标准，帮助读者更好地理解和选择适合自己的工业交换机。
一、了解需求与场景在选择工业交换机之前，首先要明确自己的需求和应用场景。
这包括以下几个方面：1. 网络拓扑结构：了解网络中设备的分布和连接方式，确定交换机的端口数量和类型。
2. 传输距离与速率：根据数据传输的距离和速率要求，选择合适的交换机类型和传输介质。
3. 环境条件：考虑工作环境对交换机的要求，如温度、湿度、电磁干扰等。
4. 扩展性与可升级性：预测未来网络扩展的可能性，选择具有良好扩展性和可升级性的交换机。
二、关注性能指标在明确需求后，应关注工业交换机的性能指标，以确保其满足应用要求。
以下是一些关键性能指标：1. 交换容量：交换机的交换容量决定了其处理数据的能力，应选择具有足够交换容量的交换机以应对网络负载。
2. 端口数量与类型：根据连接设备的数量和类型选择合适的端口数量和类型，同时考虑未来扩展需求。
3. 延迟与抖动：对于实时性要求较高的应用，应选择具有低延迟和低抖动的交换机。
4. 可靠性与可用性：工业交换机应具备高可靠性和可用性，以应对恶劣的工作环境和意外故障。
三、考虑安全性与可管理性在工业网络中，安全性和可管理性同样重要。
以下是关于这两个方面的考虑：1. 安全性：选择支持访问控制列表（ACL）、虚拟局域网（VLAN）等安全功能的交换机，以提高网络安全性。
同时，关注交换机是否通过了相关的安全认证，如IEC 62443等。
2. 可管理性：选择支持SNMP、RMON等网络管理协议的交换机，以便实现远程监控和管理。
此外，关注交换机是否提供友好的用户界面（如Web界面、命令行界面等），以降低管理难度。
交换机选型的基本原则
交换机选型的基本原则
1. 需求分析：在选型之前，首先需要对网络需求进行全面的分析，确定所需交换机
的性能、功能和规模等方面的要求。
需要考虑的因素包括网络规模、带宽要求、安全需求、可扩展性、可靠性等。
2. 扩展性：选择的交换机应具备良好的可扩展性，能够满足未来网络发展的需求。
应该考虑交换机是否支持灵活的端口扩展和堆叠功能，以及是否能够支持更高的带宽。
3. 性能和吞吐量：交换机的性能和吞吐量决定了网络的数据传输速度和效率。
根据
实际情况，需要选择具备足够的处理能力和高速数据转发能力的交换机，以确保网络的稳
定性和正常运行。
4. 安全性：网络安全是重要的考虑因素之一。
选型时，需要确保交换机具备强大的
安全功能，如访问控制列表、虚拟局域网(VLAN)隔离、端口安全等。
还需要关注交换机的
固件更新和漏洞修复的及时性。
5. 管理功能：选择具备全面管理功能的交换机，方便对交换机进行配置、监控和故
障排除。
应优先考虑支持远程管理和集中式管理的交换机，以提高网络运维的效率。
6. 价格和性价比：在选型时应权衡价格和性价比。
根据实际需求，选择适合的交换
机型号，尽量避免过度采购或购买低质量设备。
还可以考虑与供应商进行谈判以获得更好
的价格优惠。
7. 厂商信誉和技术支持：选择有信誉和良好口碑的交换机厂商，确保可以获得及时
的技术支持和售后服务。
对供应商的市场地位、产品质量和售后支持进行充分评估和比
较。
以上是交换机选型的基本原则，需要根据具体情况进行综合考虑，选择最适合自己网
络需求的交换机。
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浅谈交换机的工作原理及选型依据
摘要：随着人们对网络数据传输速度及传输性能的要求日益提高，传统的第一类网络集线设备——集线器（hub），由于其共享介质传输、单工数据操作和广播数据发送方式等原因决定了它很难满足用户对高速度及性能的要求，在这种需求下，一种新型的集线设备——交换机出现了，交换机克服了集线器的种种不足，在短时间内得到了业界的广泛认可，交换机技术也得到了飞速发展，传输速度更是得到了很大的提升，目前最快的以太网交换机端口带宽可达到10Gbps,千兆（G）级的交换机在各企业的骨干网络中早已得到了广泛使用。
关键词：集线器、交换机、MAC地址、背板带宽
1.1交换机的工作原理
交换机是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备，交换机正如它的名字一样采用的是交换的工作模式，它可以“学习”网络中各个终端的Mac 地址，并把其存放在内部的MAC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。
在计算机网络系统中，交换工作模式的提出是相对于对共享工作模式的改进，我们知道集线器（hub）是一种共享介质的网络设备,而且集线器（hub）本身不能识别目的地址，是采用广播的方式向所有节点发送，然后由每一个节点上的终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收，在这种方式下很容易造成网络堵塞，因为接收数据的只有一个节点终端，而向所有的节点都发送数据，那么绝大多数的数据流是无效的，这样就造成网络数据的传输效率很低，而且由于发送的数据每个节点都会接收到，就可能导致不安全的因素产生。
交换机拥有一条很高很快的背部总线和内部交换矩阵。
交换机的所有端口均挂接在这条背部总线上，当控制电路接收到数据包后，处理端口会查找内存中的MAC地址对照表以确定目的MAC地址的网卡接在哪个端口上，通过内部交换矩阵直接将数据包传送到目的端口，而不是所有端口，如果目的MAC地址不存在，则广播到所有的端口，交换机的这种工作方式较于集线器来说不但效率高，不浪费网络资源，因为它只是对目的地址传输数据，不容易造成网络堵塞，而且安全系数高，发送数据是其他节点很难侦听到所发送的信息。
这也是交换机能很快取代集线器的重要原因之一。
交换机的另一个重要特点是它不像集线器一样每个端口共享带宽，它的每一个端口都
是共享一部分交换机的总带宽，这样在速率上就对每个端口有个根本的保障。
这样交换机就可以在同一时刻进行多个端口之间数据传输，每个端口都视为独立的网段，享有独立固定的带宽。
无需同其他设备竞争使用。
比方说现在使用的8端口10Mbps以太网交换机，当数据流量较大时，它的总流量可达到8*10Mbps=80Mbps,而使用10Mbps的共享式hub 是，因为共享机制，使得每一时刻只能有一个端口通信，那即使数据流再多，总流量也不会超过10Mbps,如果使用16端口，24端口时情况会更加明显。
总之，交换机的目的是使得传输效率更高，它根据MAC地址来进行判断，决定数据帧该送到目的地址的连接端口，而不打扰其他不相干的连接端口，如果内存中的地址表中不包含目的MAC地址，交换机则会向所有端口广播这个数据包，找到后再将这个MAC 地址加入到自己的MAC地址表中，这样下次发送到这个地址时便不会发错，交换机的这个功能就称为“MAC地址学习”功能。
1.2交换机的选型方法
交换机的选型依据：
1、Vlan类型和数量
一个交换机支持越多的VLAN类型和数量将更加方便的进行网络拓扑的设计与实现。
2、端口数量及类型
不同的需求情况有不同的应用，需要按情况而定。
3、是否有支持网络管理的协议和方法
网吧交换机的网管功能可以使用管理软件来管理、配置交换机，比如可通过Web浏览器、Telnet、SNMP、RMON等管理。
4、是否支持堆叠
当用户量提高后，堆叠就显得非常重要了。
一般公司扩展交换机端口的方法为一台主交换机各端口下连接分交换机的级联方式，这种方式里分交换机与主交换机之间的最大传输速率只有100M，极大的影响了交换性能，，而采用专用堆叠模块和堆叠总线进行堆叠方式，不占用网络端口；多台交换机堆叠后，具有足够的系统带宽，从而保证堆叠后每个端口仍能达到线速交换，Vlan不受影响。
5、背板带宽、交换吞吐量。
背板带宽及吞吐量真正决定着网络的实际性能，不管交换机再多，管理再方便，吞吐量不够，网络只会拥堵不堪。
5.1背板带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量。
交换机机箱内部背后设置的大量的铜线，而背板带宽指的是这些铜线提供的带宽，与背板带宽有关的，是背板铜线部署的多少；交换容量是实际业务板卡与交换引擎之
间的连接带宽，真正标志了交换机总的数据交换能力，与交换容量有关的，是业务插槽与管理引擎上的交换芯片，交换容量是决定交换机性能转发的主要因素。
所有单端口容量*端口数量之和的2倍<背板带宽，才可以实现全双工无阻塞交换。
比如cisco公司的Catalyst2950G-48,它有48个100Mbit/s端口和2个1000Mbit/s 端口，它的背板带宽应该不小于13.6Gbit/s，才能满足线速交换的要求。
计算如下：(2*1000+48*100)*2(Mbit/s)=13.6(Gbit/s)
5.2 满配置吞吐量(Mpps)=满配置GE端口数×1.488Mpps,其中1个千兆端口在包长为64字节时的理论吞吐量为1.488Mpps。
例如:1台最多能够提供64个千兆端口的交换机，其满配置吞吐量应达到64×1.488Mpps = 95.2Mpps，才能够确保在任何端口均线速工作时，提供无阻塞的包交换。
假如一台交换机最多能够提供176个千兆端口，而宣称的吞吐量为不到261.8Mpps(176 x 1.488Mpps = 261.8)，那么用户有理由认为该交换机采用的是有阻塞的结构设计。
1.488的由来：包转发线速的衡量标准是以单位时间内发送64byte的数据包（最小包）的个数作为计算基准的。
计算方法如下：一个数据包的实际长度为(64＋8＋12)byte=(512+64+96)bit=672bit,说明：当以太网帧为64byte时，需考虑8byte的帧头和12byte的帧间隙的固定开销。
故一个线速的千兆以太网端口在转发64byte包时的包转发率为1.488095Mpps=1000Mbit/s/672bit。
快速以太网的线速端口包转发率正好为千兆以太网的十分之一，为0.1488095Mpps=100Mbit/s/672bit。
对于万兆以太网，一个线速端口的包转发率为14.88Mpps；
对于千兆以太网，一个线速端口的包转发率为1.488Mpps；
对于百兆以太网，一个线速端口的包转发率为0.1488Mpps；
5.3典型的网络设计会采用过载的设计模式
过载设计的规则：
接入层到汇聚层--过载率：10:1到20:1
汇聚层到核心层--过载率：2:1到4:1
服务器群--过载率：1:1到4:1
例子：假设三级网络结构
接入层：10000台PC，每台PC使用1000M接入，采用10G上联汇聚层，20:1的过载率；
汇聚到核心层：10GE上联，4:1的过载率；双核心架构，核心交换机之间使用双10G捆绑链路相连提供冗余。
最终核心层的网络流量最高为：10000*1000M*2*1/(4*20)+10G*2*2=290Gbps,也就是说最大需要的背板带宽为290Gbps,包转发能力为：290G*1.488Mpps=431.52Mpps;
汇聚层的网络流量为：10G*(4+2)*2=120Gbps,即最大需要背板带宽为120Gbps，包转发率为：120G*1.488Mpps=178.56Gpps；
接入层选择48口的交换机，交换容量为：(48*1000M+1*10000M)*2=116Gbps,即最大需求背板带宽为116Gbps，包转发率为：116*1.488Mpps=172.6Mpps。
按照20:1的过载率，可以知道汇聚层交换机的每个10G端口下联5台堆叠的交换机(200/48=5)，10000台PC/200台PC=50个汇聚层交换机端口，则需要5*50=250台接入层交换机；按照汇聚到核心4:1的过载率，需要汇聚层交换机数为：50/4=13台。
1.3小结
本章主要介绍了交换机的工作原理及交换机的选型，并举例说明了依据吞吐量如何选择交换机的方法。
参考文献：
1、王廷尧《以太网技术及应用》北京：人民邮电出版社
2、Rich seifert 《千兆以太网技术与应用》郎波译北京：机械工业出版社
3、罗庆超《二层交换机转发帧的原理和实现》2004
4、李勇敢《浅谈集线器与交换机的区别》【J】.内江科技.2005。