交换机

：Switch ，一种网络设备，与网桥的功能相似。

• OSI 层级：通常工作在数据链路层，称为第二层交换机。
  • 有的交换机添加了路由功能，可以工作在网络层，称为第三层交换机。不过功能不如专业的路由器。

功能

• 交换机的基本功能，与网桥相同，可以对数据帧进行转发、过滤。

  • 具有多个端口，每个端口可以连接一个网络或主机。
  • 从一个端口收到数据包时，会查询路由表，从而决定将该数据包，转发到哪个端口。
  • 自动地建立和维护一个 源 Mac 地址表，又称为交换表。表中记录了各个目标 Mac 地址与端口的对应关系。

• 交换表的分类：

  • 静态交换表：由用户手动设置。
  • 动态交换表：由交换机自动建立和维护。

• 转发数据帧时，有几种方式：

  • 存储转发交换方式
    • ：先接收整个数据帧，暂存在内存中。然后检查它是否出错。最后转发到目标端口。
    • 这种方式最常使用。
  • 快速交换方式
    • ：又称为直接交换方式。对于每个数据帧，还没接收完毕，就同时进行转发。
    • 这样转发延迟低，但不能进行差错控制。
  • 无碎片交换方式
    • ：对于每个数据帧，只要收到开头 64 bytes ，就开始转发。
    • 为什么是 64 bytes ？当多个主机同时发送数据帧而产生冲突时，数据帧通常会变得残缺，长度不足 64 bytes 。通过长度，可以快速判断一个数据帧是否为碎片。

虚拟局域网

• 与网桥相比，交换机提供了一个高级功能：划分虚拟局域网（Virtual LAN ，VLAN）。
• 原理：
  • 多个主机连接到一个交换机时，在物理线路上组成同一个局域网。
  • 用户可以修改交换机的配置参数，在一个物理局域网中，划分多个虚拟局域网。
    • 例如将 0~3 号端口，划分为 1 号 VLAN 。将 4~7 号端口，划分为 2 号 VLAN 。
    • 交换机从 0 号端口收到数据帧时，只能转发到 1 号 VLAN 的其它端口，不能转发到 2 号 VLAN 的端口。
    • 也就是说，不能跨 VLAN 转发数据帧。
  • 可以从多个层面，划分 VLAN ：
    • 基于端口号
    • 基于 Mac 地址
    • 基于 IP 地址
    • 基于网络协议的类型
  • 如何才能跨 VLAN 转发数据帧？这个问题相当于，如何才能跨局域网转发数据帧，答案是使用路由器，建立路由表。
• 优点：
  • 隔离广播风暴：每个 VLAN 是一个独立的广播域。如果一个数据帧的目标 Mac 地址，属于广播地址，则不能 VLAN 传播。
  • 分组管理网络：可以划分多个虚拟网段，供不同用户使用。
• 缺点：
  • 按照 802.1Q 标准，使用 VLAN 时需要在以太网帧的头部加入 VLAN ID 信息，声明它所属的 VLAN 编号。VLAN ID 的长度为 12 bits ，因此一个交换机最多创建 4092 个 VLAN 。

VTP

• 一个大型的物理局域网中，通常包含多个交换机。为了在这些交换机中统一配置 VLAN ，可以使用虚拟局域网中继协议（VLAN Trunk Protocol，VTP）。
• 原理：
  • 用户需要将多个交换机都开启 VTP 功能，并采用同一个 VTP 域名。
  • 这些交换机之间，会通过 VTP 协议，相互通告 VLAN 的配置信息。

VXLAN

：虚拟可扩展局域网（Virtual Extensible LAN），云计算机房常用的一种 VLAN 技术。

• 原理：
  • 将 OSI 2 层的以太网帧，封包在 OSI 4 层的 UDP 报文中，然后将 UDP 报文发送给目标主机。
  • 目标主机收到 UDP 报文之后，解包成以太网帧。
• 与 VLAN 相比，VXLAN 的优点：
  • 地理位置较远的主机之间，只要能通过 OSI 传输层连通，就可以加入同一个 VLAN 。
  • VLAN ID 的长度为 24 Bits ，可以创建海量的 VLAN 。
• 缺点：
  • VXLAN 封装报文的过程，比 VLAN 的耗时更久。而且封装信息更多，增加了网络通信的总流量。