交换机的工作原理是什么？为什么可以转发数据？

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之前我们讲过什么是交换机，那么交换机是怎么工作的呢？为什么它可以转发数据？

从计算机发出的数据会经过集线器、交换机和路由器等设备转发，最终到达目的地。

转发设备会根据数据包中的头部信息找到目的地IP地址，然后在转发设备内部转发规则表中查询需要转发的出口路径。

就像邮递员一样，在送快递的时候，不会去看快递里面的具体东西，无论里面装的是什么，都能帮你把快递送到目的地，路由器和交换机就是快递员的角色，无论数据包里面装的是应用程序数据还是TPC协议控制信息，都不会对包的传输操作产生影响。

也就是当你使用浏览器访问网站的时候，不管你发送什么数据，在交换机这里都是一个数据包，所有的包在传输到目的地的过程中都是独立的，相互之间没有任何关联。

假设客户端计算机连接局域网的结构如下图，网络数据包从计算机发出后，要经过集线器、交换机和路由器最终进入互联网。

当数据包经过集线器后，会被广播到整个网络中，也就是说集线器相当于一个分线器，把一个入口分开多个出口，它不会根据数据包的目的地址去判断应该从哪个出口流出，而是直接广播发送，这就是集线器的缺点，因为这样很容易造成广播风暴。

什么是广播风暴？

广播风暴就是广播数据充斥整个网络导致设备无法处理，并占用大量网络带宽，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪。

由于集线器只是原封不动地将信号广播出去，所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真，也会原样发送到目的地。

这就需要交换机或路由器等设备进行校验发现错误，然后进行丢包重传。这样会导致网络传输效率低，网络延迟大等缺点。

所以我们现在很少使用集线器了，而是使用交换机代替集线器。

很多人可能没有见过集线器，如下图，集线器大概长这样。

而交换机是长这样，交换机的设计更为复杂，功能也更强大。

现如今，我们不管是企业还是家庭，大部分都在使用交换机了，如大学宿舍可能每个宿舍网线只有一根，但是宿舍有多个人，那就可以买个多口交换机，入口插一根网线，可以同时分出多个出口插入多根网线给宿舍的其他同学使用，交换机不仅有集线器的功能还可以更高效率的转发数据，下面我们来讲一下为什么交换机的工作效率比集线器高。

交换机的设计是将网络包原样转发到目的地，当信号到达网线接口，由 PHY（MAU）模块进行接收，这一部分和集线器是相同的。

当信号从双绞线传入时，就会进入 PHY（MAU） 模块的接收部分。接下来，PHY（MAU）模块会将网线中的信号转换为通用格式，然后传递给 MAC 模块。

MAC 模块将信号转换为数字信息，然后通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没有问题则存放到缓冲区中。

这部分操作和网卡基本相同，大家可以认为交换机的每个网线接口后面都是一块网卡。

网线接口和后面的电路部分加在一起称为一个端口，也就是说交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡。

但交换机的工作方式和网卡有一点不同，网卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果不是发给自己的则丢弃；相对地，交换机的端口不核对接收方 MAC 地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。

因此和网卡不同，交换机的端口不具有 MAC 地址。

交换机将数据包存入缓冲区后，需要查询这个包的接收方MAC地址，是否已经在MAC地址表中，是的，交换机都有一张叫做MAC地址表的东西，上面记录着交换机所有端口上能访问的MAC地址列表信息，交换机和集线器最大的不同就是，交换机拥有MAC地址表。

MAC地址表主要包含两个信息，一是设备的MAC地址，二是该设备连接在交换机的哪个端口上。

交换机通过这张表就可以判断收到的数据包应该发送到哪个端口，这样大大减少了网络的数据传输量，提供了网络传输的效率，当然交换机也需要维护这张表。

首先，当交换机收到数据包后，查询到这个数据包的发送方MAC地址在不在MAC地址表中，如果不在那就把发送方的MAC和绑定的端口写入到MAC地址表中，因为交换机收到数据包肯定是知道从哪个端口收到的，自然就可以记录起来了。

当交换机收到数据包时查询接收方的MAC地址不在MAC地址表中该怎么办呢？

这个时候就和集线器一样发送一个广播数据包，查询MAC地址，数据包广播到每个端口上，比如广播发送一个“请问谁的MAC地址是00-02-03-B5-C8-F8”的数据包，然后连接交换机端口的计算机收到这个数据包后。

如果自己的MAC地址不是这个就丢弃这个数据包，如果自己MAC地址是这个，就会回应一个数据包给交换机，交换机从哪个端口收到回应就把这个端口和回应的MAC地址写入到MAC地址表中，这样就记录了一条数据。

但是交换机的存储空间是有限的，不会无限的添加MAC地址到地址表中，当设备移动，或者端口变动的时候，比如我们开会时把笔记本电脑从办公桌拿到会议室，这个时候网线接口变了，那么MAC地址表也需要变动，从交换机的角度讲，本来连接在某个端口上的笔记本电脑消失了。

那么交换机就会删除这个端口上的这台笔记本的MAC地址记录，但是交换机是没法自动知道这台笔记本是否消失了的，所以交换机会判断一段时间内没有使用的MAC地址记录就会自动删除。

这样交换机就可以长时间自动添加和删除记录，不需要什么特别的措施就可以正常工作了。

交换机根据收到的数据包MAC地址，查询MAC地址表转发数据到相应的端口上，这就是交换机的工作原理了，大家都明白了吗？

可能现在很多人都在使用路由器，如果有兴趣了解路由器的工作原理，请关注我。