思科网络工程师笔记：交换机基础概念
交换机基础：局域网交换机的基本功能
1交换机基础概念
局域网交换机是一种工作在数据链路层的网络设备。
交换机根据进入端口数据帧中的MAC地址，过滤、转发数据帧。它是基于MAC地址识别，完成转发数据帧功能的一种网络连接设备。
交换机作为汇聚中心，可将多台数据终端设备连接在一起，构成星状结构的网络。使用交换机组建出的是一个交换式局域网。
2局域网交换机的功能
局域网交换机有三个基本功能：
①建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口对应关系的交换表；
②在发送结点和接收结点之间建立一条虚连接；（源端口到目的端口之间的虚连接）
③完成数据帧的转发或过滤。
交换机就在源端口和目的端口之间建立一条虚连接，在这条专用的虚通道上完成数据帧的交换。交换机还具有帧过滤，数据帧传输控制，虚拟网等其它功能。
交换机基础：局域网交换机的工作原理
交换机通过一种自学习的方法，自动地建立和维护一个记录着目的MAC地址与设备端口映射关系的地址查询表。
转发帧的具体操作是，在查询保存在交换机高速缓存中的交换表之后，交换机根据表中给出的目的端口号，决定是否转发和往哪里转发。如果数据帧的目的地址和源地址处于交换机的同一个端口，即源端口和目的端口相同，基于某种安全控制，数据帧被拒绝转发，交换机直接丢弃。否则按与目的MAC地址相符的交换表表项中指出的目的端口号转发该帧。在转发数据帧之前，在源端口和目的端口之间建立一条虚连接，形成一条专用的传输通道。再利用这条通道将帧从源端口转发到目的端口，完成帧的转发。
丢弃帧的原因：
①数据帧的目的地址和源地址处于交换机的同一个端口，即源端口和目的端口相同；
②某种安全控制。
交换机基础：交换表内容的建立和维护
建立和维护交换表是交换机的重要工作任务。
1交换表的内容
交换表的内容包括：目的MAC地址、对应的交换机模块号端口号、所在的虚拟子网。虚拟子网用VLANID号表示。
例1.大型核心交换机的交换表：
VLANDestMAC/RouteDes[COS]DestinationPortsorVCs/[protocolType]
11800-e0-4c-73-51-4e3/6[ALL]
例1.小型接入交换机的交换表：
DestinationaddressAddressTypeVLANDestinationPorts
0004.234e.0ddcDynamic148FastEthernet0/2
例1表示MAC地址为00-e0-4c-73-51-4e的用户，连接在交换机的第3模块第6端口。该用户被划分在VLANID为118的虚拟子网中。
FastEthernet0/6包含两部分内容，一个是端口类型，一个是端口号。端口号0/2中，0是模块号，2是端口号。
FastEthernet表示快速以太网；（FE）
Ethernet表示以太网；（E）
GigabitEthernet表示千兆以太网。（GE）
2交换表的建立
在交换机刚开机时，交换表的内容是空白的。
每一个帧进来，就分析帧中的MAC目的地址，查询交换表。
①如果已经存在在交换表中，就按照给出的路径转发。
②在交换表没有此项目，就发出一个广播帧，把数据包发送给除源端口以外的所有交换机端口。拥有该MAC地址的站点在接收到广播帧后，就会立即做出应答，从而使交换机得到目的MAC地址与其相关联的交换机端口的信息。随后交换机建立一个新的表项进行记录。
3交换表的维护
交换表保存在交换机的一个高速缓存中，高速缓存的空间有限，且位于高速缓存的表项也有时间限制（时间戳）。
4交换表的保存
交换表保存在可编址内容存储器CAM中。CAM是保存交换表的一个高速缓存。可以通过交换机的一条命令，在屏幕显示出保存在CAM中的交换表内容。
(大中型交换机)showcamdynamic
(小型交换机)showmac-address-table；
交换机基础：交换机的交换结构
交换机存在四种交换结构，它们是软件执行交换结构、矩阵交换结构、总线交换结构和共享存储器结构。
1软件执行交换结构
软件执行交换结构是借助CPU和RAM硬件环境，由特定的软件来完成数据帧交换的一种交换结构。
特点：软件执行交换结构的交换机具有结构灵活、交换速度慢、交换机堆叠困难、交换机端口较多导致交换机性能下降的特点。因此，软件执行交换结构主要在早期的交换器产品中应用。
2矩阵交换结构
在矩阵交换结构的交换机中，交换功能完全由硬件完成。
交换机在确定目的端口号之后，就会根据源端口号和目的端口号打开相应的交换矩阵开关，在源端口和目的端口之间建立连接，形成一条传输通道。
特点：具有交换速度快、延时小、结构紧凑、矩阵交换的实现相对比较简单、不易扩展、不利于交换机性能的监控和运行管理等特点。目前有一些交换机产品采用这种结构。
3总线交换结构
在总线交换结构的交换机背板上都有一条公用总线，数据帧的交换都在总线上完成。通过时分多路复用TDM技术，将总线按时隙分成多条逻辑通道，可同时在总线上建立多对端口的连接。
特点：具有性能好、便于堆叠扩展、易实现帧的广播、易监控管理、易实现多个输入对一个输出的帧传送，但对带宽要求比较高。
一般总线带宽应为端口带宽的总和。如果端口带宽都相同，则总线带宽应等于端口带宽乘以端口数量。即S=B×N。其中S为总线带宽，B是端口带宽，N是端口数。
许多交换机产品都使用总线交换结构。
4共享存储器交换结构
共享存储器交换结构是总线交换结构的一种很变形，它用共享存储器替代了公用总线。它不需要背板。
特点：交换机的结构简单、易实现，但在交换机端口数量与存储容量扩展到一定程度时，会产生延时。因此，比较适合小型交换机的采用。成本高。
交换机基础：交换机的交换模式
1交换机交换模式的分类
交换机有静态交换和动态交换两种方式。
在采用静态交换方式的交换机中，端口之间传输通道的建立是人工预先设定的，这些通道是固定不变的。
在采用动态交换方式的交换机中，传输通道的建立是依据目的MAC地址查询交换表，根据表中给出的输出端口临时建立的，在一个数据帧传送完成后，连接就会自动断开。
动态交换模式有存储转发和直通两种模式。
直通交换模式又有快速转发交换和碎片丢弃交换两种方式。
总结起来，交换机有存储转发、快速转发和碎片丢弃三种交换模式。
2快速转发交换模式（FastForward）
快速转发交换模式，也叫直通模式，它是在交换机接收到帧中6个字节的目的地址后就立即转发数据帧。
快速转发交换模式不缓存整个数据帧。这种交换模式会在整个数据帧收到之前就开始转发。不能提供检错纠错，可靠性差，但是时延小、交换速度快。适合小型交换机采用。
3碎片丢弃交换模式（FragmentFree）
碎片丢弃模式又称无分段交换模式。这种交换模式是在开始转发数据帧前，先过滤掉造成大部分数据报错误的冲突片段。
先检查数据包的长度是否够64字节，如果小于64字节，直接丢弃，任何大于64字节的数据帧，都被交换机视为有效帧，进行转发。
数据帧只是接收了64字节，也不保存整个数据帧，就开始转发。
碎片丢弃交换模式的最大优点：在开始转发数据帧前就过滤掉冲突碎片，确保冲突碎片不通过网络传播，从而提高了网络的传输效率和带宽利用率。
4存储转发交换模式（StoreandForward）
采用存储转发交换模式的交换机，在开始转发数据帧之前先接收整个数据帧，并把整个数据帧存储在缓冲区。
有差错检验功能，但是时延大。