以太网交换

我们知道，通过 以太网协议 通讯的计算机需要通过网线连接到一起。那么，如何将多根网线连接在一起呢？

集线器

最简单的方式是将所有网线接到一个集线器( Hub )，如下图：

集线器

集线器内部构造很简单，可以理解成只是把所有网线连接到一起而已。换句话讲，集线器充当了 共用导线 的功能。

集线器构造

这样一来，某个端口发送出去的电信号，将传送到所有其他端口：

信号传输

也就是说，从一台计算机发送出来的数据，将传送到其他所有计算机上。以 A 往 B 发送数据为例：

数据广播

看起来就像 A 发起了 广播 ，所有其他计算机都可以收到这个数据。由于数据帧中包含 目的地址 ，最终只有 B 接收并处理这个数据。因此并无大碍，至少是可以正常工作的。

尽管如此，还是存在一些缺陷，主要体现在两方面：

• 所有计算机(端口)共享带宽；
• 所有计算机(端口)处于同一 冲突域 (一台计算机发送，其他只能等待)；这两方面缺陷注定了集线器传输效率不高，在接入端口数较多的情况下更是如此。

总结一下，集线器工作于物理层，主要特点如下：

• 放大中继物理电信号；
• 所有端口同属一个冲突域；
• 所有端口共享带宽；
• 延伸网络访问距离；
• 扩展终端数量；

二层交换

为了解决 集线器 效率低下的尴尬，需要设计一种更高级的网络设备，根据目的 MAC 地址，将数据准确转发到对应端口。

如下图，中间节点是转发设备，与 3 台计算机连接。转发设备维护一张端口与对应计算机 MAC 地址的映射表。这样一来， 转发设备接到 A 机器发给 C 机器的数据后，根据目的 MAC 地址查映射表，将数据准确传送到对应的端口 3 。

根据目的地址转发数据

现在，传输模型现在更有针对性了，数据准确转发到正确的端口，其他端口不再收到多余的数据：

更有针对性的传输模式

不仅如此，计算机 A 与 B 通讯的同时，其他计算机也可通讯，互不干扰。每个端口是一个独立的冲突域，带宽也是独立的。

集线器 的缺陷全解决了！

以太网交换机

能够根据 以太网帧 目的地址转发数据的网络设备就是 以太网交换机 ( Ethernet Switch )：

交换机

长相跟 集线器 没啥区别嘛。当然了，很多网络设备都是一个满身端口的盒子，关键还得看内部构造。

再看看现实中的交换机长啥样：

一台真实的交换机

总结起来，以太网交换机是 二层网络设备 ，特点如下：

• 根据目的地址转发数据
• 每个端口是独立冲突域
• 每个端口带宽独立

MAC地址学习

在 二层交换 一节，我们讨论了一种根据映射表转发数据的方法。现在问题来了，映射表如何获得？

最原始的方式是，维护一张静态映射表。当新设备接入，向映射表添加一条记录；当设备移除，从映射表删除对应记录。

然而，纯手工操作方式多少有些烦躁。

好在计算机领域可以实现各种花式的自动化——通过算法自动学习映射表。先来看看大致思路：

映射表为空，先广播；同时学习A的地址

初始状态，映射表是空的。此时， A 向 B 发送一个数据帧 Frame1 ，映射表查不到 B 的记录，将数据帧转发到其他所有端口。

交换机通过 Fa0/1 端口收到数据，便知道 A 连接 Fa0/1 端口，而数据帧的源地址就是 A 的地址！此时，可以将 A 的地址和端口 Fa0/1 作为一条记录加入映射表。交换机学习到 A 的地址！

根据映射表准确转发；同时学习B的地址

接着， B 向 A 回复一个数据 Frame2 。由于映射表已经有关于 A 的记录了，数据直接转发到端口 Fa0/1 。同样，交换机学习到 B 的地址。

地址学习完毕

当 C 开始发送数据时，交换机同样学到其地址，学习过程完成！这就是 MAC地址自动学习 的过程。

以太网络

以太网络可以由多个设备构建而成：

以太网络

图中的网络包含了两个连接设备，一个 集线器 ，一个 以太网交换机 。留几个思考题：

• 哪些端口是独立的冲突域？
• 哪些端口带宽是独立的？
• 哪些机器间传输数据互不干扰？

总结

本节，介绍了两种常见的网络连接设备：

集线器 工作在 物理层 ，只是放大中继物理电信号。集线器所有端口处于同一冲突域，也共享带宽。这个两个缺陷导致集线器传输效率不高。

以太网交换机 工作在 数据链路层 ，能理解 以太网帧 ，并根据目的地址进行转发。交换机每个端口都是独立的冲突域，带宽也是独立的，因此传输比集线器更有效率。

进行 以太网交换 ，交换机需要维护地址-端口映射表。交换机可以通过 MAC地址学习 自动完成这个过程。

下一步

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