以太網(wǎng)交換機(jī)的定義及工作原理

01、以太網(wǎng)交換機(jī)的定義

以太網(wǎng)交換機(jī)是任何網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵構(gòu)建塊。這些交換機(jī)在多個(gè)設(shè)備位于同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)將它們連接在一起。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)將包括以下設(shè)備：計(jì)算機(jī)、服務(wù)器；無線接入點(diǎn)、打印機(jī)等。

以太網(wǎng)交換機(jī)能夠使用與其連接的設(shè)備的 MAC 地址。使用此信息，它能夠識別其每個(gè)端口上的計(jì)算機(jī)或其他單元。通過這種方式，它能夠?qū)?shù)據(jù)包發(fā)送到相關(guān)端口，從而發(fā)送到正確的設(shè)備，而不會(huì)用不必要的數(shù)據(jù)淹沒網(wǎng)絡(luò)。

此外，以太網(wǎng)交換機(jī)能夠?yàn)槠涿總€(gè)端口分配全部帶寬。這意味著無論運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量如何，用戶始終可以訪問最大帶寬。

02、托管和非托管

選擇以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，選擇所需的類型很重要。

非托管交換機(jī)：非托管網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是最常見的以太網(wǎng)交換機(jī)形式。這種類型的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)計(jì)為只需插入網(wǎng)絡(luò)即可運(yùn)行，無需任何手動(dòng)配置。非托管交換機(jī)通常用于基本連接，它們通常用于家庭或小型辦公室網(wǎng)絡(luò)或需要更多以太網(wǎng)端口的地方、辦公桌、實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室等。

管理型交換機(jī)：管理型交換機(jī)通過更多功能和靈活性提供更高的安全性，因?yàn)樗鼈兛梢耘渲脼槎ㄖ七m合網(wǎng)絡(luò)。通過這種更強(qiáng)大的控制，可以更好地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)并提高訪問網(wǎng)絡(luò)的用戶的服務(wù)質(zhì)量。可以對流量進(jìn)行優(yōu)先級排序，以便以最佳方式將可用帶寬等分配給給定的應(yīng)用程序等。

還有一種類型的交換機(jī)稱為工業(yè)交換機(jī)。它們通常用于工業(yè)控制和類似應(yīng)用。它們被稱為工業(yè)交換機(jī)，因?yàn)樗鼈冇糜谛枰叨瓤煽啃院蛯挏囟确秶莶畹鹊墓I(yè)環(huán)境中。除此之外，工業(yè)交換機(jī)還具有運(yùn)營商級以太網(wǎng)性能，因?yàn)榭紤]到任何中斷的成本，工業(yè)和生產(chǎn)環(huán)境需要具有非常高的可靠性。

03、如何工作

以太網(wǎng)交換機(jī)通過將這些設(shè)備物理連接到同一交換機(jī)或連接到連接同一網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)交換機(jī)的設(shè)備，將多個(gè)設(shè)備連接在一起。這些電纜包括同軸電纜、光纖和雙絞線以太網(wǎng)電纜。

一旦設(shè)備連接到端口，以太網(wǎng)交換機(jī)就會(huì)管理設(shè)備與其他設(shè)備、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)、云服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流。交換過程根據(jù)發(fā)送設(shè)備的端口以及發(fā)送和目標(biāo) MAC 地址將傳入和傳出數(shù)據(jù)定向到交換機(jī)上的正確端口。發(fā)送者和目的地的 MAC 地址都包括在內(nèi)，數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)幀中發(fā)送。

每個(gè)以太網(wǎng)兼容設(shè)備都有一個(gè)稱為 MAC 地址的硬編碼物理地址，連接交換機(jī)使用它來標(biāo)識設(shè)備。

當(dāng)交換機(jī)接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包時(shí)，它將發(fā)送設(shè)備的 MAC 地址和它所連接的端口存儲(chǔ)在本地保存的稱為 MAC 地址表的表中。交換機(jī)進(jìn)程然后檢查 MAC 地址表以查看目標(biāo) MAC 地址是否連接到同一交換機(jī)。如果是，交換機(jī)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到已知的目標(biāo)端口。如果不是，交換機(jī)將數(shù)據(jù)包廣播到所有端口并等待響應(yīng)。

如果交換機(jī)直接連接到目標(biāo)設(shè)備，則設(shè)備接受數(shù)據(jù)包，響應(yīng)，傳輸完成。如果設(shè)備連接到另一個(gè)交換機(jī)，下一個(gè)交換機(jī)將重復(fù)查找和轉(zhuǎn)發(fā)過程，直到幀到達(dá)預(yù)期的目的地。

以太網(wǎng)幀用于通過以太網(wǎng)電纜和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的線路傳輸數(shù)據(jù)。本質(zhì)上，幀具有定義的格式，它們是信息序列，包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但周圍還有其他數(shù)據(jù)或信息，以成功管理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

以太網(wǎng)幀的格式包括許多不同的元素，如圖所示：

Header： 包括使接收器能夠同步的前導(dǎo)碼、目標(biāo)地址、源地址和長度/類型指示。

Payload：這是以太網(wǎng)幀在局域網(wǎng)中攜帶的實(shí)際數(shù)據(jù)。

Trailer： 這包括用于錯(cuò)誤檢查的幀檢查序列。

這些以太網(wǎng)幀的基本格式在許多版本的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中都保持不變。由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在許多局域網(wǎng)和 WAN 網(wǎng)絡(luò)上傳輸，由使用許多不同版本標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備組成：100Mbps 快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng) 1GE、10 GE 等，這些幀為該數(shù)據(jù)提供了基本且恒定的格式，允許向后兼容性。

04、千兆以太網(wǎng)

從硬件速度和帶寬能力來看，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中實(shí)施的明確選擇是千兆以太網(wǎng)。當(dāng)涉及到不同的介質(zhì)時(shí)，假設(shè)選擇 WiFi 以避免需要電纜，與以太網(wǎng)相比肯定有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

速度：按照 IEEE 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的 WiFi 的最大理論速度為 54 Mbps，這顯然無法與 100 Mbps 以太網(wǎng)或千兆以太網(wǎng)速度相提并論。但是，按照 IEEE 802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的 WiFi 提供高達(dá) 3.2 Gbps 的理論速度，比千兆以太網(wǎng)快三倍。需要注意的是，WiFi 適配器和接入點(diǎn)都必須與 802.11ac 兼容，才能實(shí)現(xiàn)這種傳輸速度。WiFi 鏈接的理論速度在現(xiàn)實(shí)世界中通常是不可能的，因?yàn)槲覀兒苌僭谠O(shè)備之間擁有完美的視線。

可靠性：有線連接可以作為一種點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由，除非出現(xiàn)電纜斷裂或插座故障，否則網(wǎng)絡(luò)流量不會(huì)中斷。這使得有線網(wǎng)絡(luò)操作在速度和延遲方面高度一致。另一方面，WiFi 容易受到其他無線設(shè)備的干擾，以及由于大氣條件和建筑物墻壁等障礙物的影響而導(dǎo)致的信號衰減。濕度的簡單變化會(huì)極大地影響速度，因?yàn)闊o線信號會(huì)因大氣濕度而衰減。理論和實(shí)際的速度差異也會(huì)受到可靠性的影響，這在使用 WiFi 時(shí)更加明顯。

安全性：WiFi 通過空中傳輸其流量，這意味著范圍內(nèi)的接收器可以輕松捕獲網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，除非流量受到強(qiáng)大的密碼保護(hù)/使用已知的安全算法加密。使用有線連接時(shí)，流量可能會(huì)更安全，而未檢測到的攔截更具挑戰(zhàn)性。