網路交換器

網路交換機（Network switch）是一種網路硬體，它透過報文交換接收並轉發資料到目標裝置，從而在計算機網路上連線不同的裝置。網路交換機通常簡稱為交換機。

交換機是一種多埠網橋，在資料鏈路層使用 MAC 地址進行資料轉發。一些交換機也具備路由功能，可以在網路層轉發資料，這種交換機通常被稱為三層交換機或多層交換機。

乙太網交換機是最常見的網路交換機型別。第一款乙太網交換機由 Kalpana 公司（1994 年被思科收購）推出。交換機也廣泛應用於其他型別的網路，例如光纖通道、非同步傳輸模式和 InfiniBand。

與在所有埠轉發相同資料的中繼器不同，交換機只會將資料轉發到需要接收的裝置。

工作原理

交換機工作於 OSI 模型的第二層，即資料鏈路層。交換機內部的 CPU 會在每個埠成功建立連線時，透過學習 MAC 地址並將其與埠對應，形成一張 MAC 地址表。在後續的通訊中，發往特定 MAC 地址的資料包將僅被轉發至該 MAC 地址對應的埠，而非所有埠。因此，交換機能夠劃分資料鏈路層的衝突域，但無法劃分網路層的廣播域。

交換機對資料包的轉發是基於 MAC 地址（即物理地址）的，對於 IP 協議而言是透明的。也就是說，交換機在轉發資料包時無需知曉源主機和目標主機的 IP 地址，只需知道其 MAC 地址即可。

交換機在執行過程中會不斷學習並建立自身的 MAC 地址表。這張表記錄了每個 MAC 地址對應的埠。當交換機收到一個 TCP/IP 資料包時，會檢查該資料包的目標 MAC 地址，並在地址表中查詢對應的埠，從而決定從哪個埠轉發資料包。由於這個過程相對簡單，且通常由 ASIC 等專用硬體實現，因此轉發速度非常快。通常情況下，交換機只需數十微秒即可完成資料包的轉發決策。

如果目標 MAC 地址未在地址表中找到，交換機會將資料包進行 “泛洪”（flooding），即將其從所有埠轉發出去，這與交換機處理廣播資料包的方式相同。二層交換機處理廣播資料包的方式效率較低。例如，當交換機收到一個來自 TCP/IP 工作站的廣播資料包時，會將該資料包轉發到所有其他埠，即使某些埠連線的是 IPX 或 DECent 工作站。這會對非 TCP/IP 節點的頻寬造成負面影響。即使是同一 TCP/IP 網路中的節點，如果與傳送廣播資料包的工作站不在同一子網，也可能收到一些與自身無關的網路廣播，從而降低整個網路的效率。

工作方式

當一臺交換機完成安裝和配置後，其典型的工作過程如下：

學習（Learning）：交換機接收到來自某網段（假設為 A）MAC 地址為 X 的計算機發往 MAC 地址為 Y 的資料包。交換機會記錄下 MAC 地址 X 位於網段 A。
泛洪（Flooding）：如果交換機尚不知道 MAC 地址 Y 位於哪個網段，它會將該資料包轉發到除 A 以外的所有其他網段。
轉發（Forwarding）：MAC 地址為 Y 的計算機收到該資料包後，會向 MAC 地址 X 傳送確認包。交換機收到該確認包後，會記錄下 MAC 地址 Y 所在的網段，然後將確認包轉發給 MAC 地址 X。
過濾（Filtering）：當交換機收到一個數據包時，如果查詢內部的 MAC 地址 - 網段查詢表後發現該資料包的源地址和目的地址屬於同一網段，交換機將不會處理該資料包。
老化（Aging）：交換機內部的 MAC 地址 - 網段查詢表中，每條記錄都會使用時間戳來記錄最後一次訪問的時間。早於某個預設閾值（使用者可配置）的記錄會被清除。

對於全交換（Full-Switched）區域網，交換機的每個埠通常只連線一臺裝置，因此一般不會發生衝突。在某些設計中，交換機可能仍然需要進行過濾，以增強網路安全性或實現特定的策略。

工作在 OSI 不同層級的交換技術

現代商業交換機主要使用乙太網介面。提供多埠的二層橋接是乙太網交換機的核心功能，而很多交換機也提供其他層級的服務，這種不僅僅提供了橋接功能的交換機也被稱為多層交換機。多層交換機可以在許多層級上學習拓撲結構，也可以在一層或多層上進行轉發。

3.1 一層

一層網路裝置傳輸資料而不控制任何流量，比如集線器。任何進入埠資料包會被轉發到除進入埠之外的其他所有埠。具體而言，即每個位元或碼元被轉發時是原封不動的。由於每個資料包被分發到所有埠，其衝突會影響到整個網路，進而限制了它的整體的能力。

到 21 世紀初，集線器和低端交換機的價格差異很小。對於特定應用，集線器在一段時間內還是能夠發揮作用的，比如給資料包分析器提供網路流量的副本。網路分流器還有交換機的埠映象也可以實現同樣功能。

3.2 二層

二層交換機 依據硬體地址（MAC 地址）在資料鏈路層（第二層）傳送網路幀。

二層交換機對於路由器和主機而言是 “透明的”，主要遵循 IEEE 802.1d 標準。該標準規定交換機透過觀察每個埠接收到的資料幀，學習源 MAC 地址，並在其內部的快取記憶體中建立 MAC 地址與埠的對映表。當交換機接收的資料幀的目的 MAC 地址在該對映表中找到對應條目時，交換機便將該資料幀轉發到相應的埠。如果交換機在對映表中找不到目的 MAC 地址，則會將該資料幀廣播到該埠所屬的虛擬區域網（VLAN）內的所有埠。如果收到目標主機的回應資料包，交換機便會在對映表中增加新的對應關係。

當交換機初次加入網路時，由於對映表為空，所有的資料幀將被廣播到虛擬區域網內的全部埠，直到交換機 “學習” 到各個 MAC 地址為止。因此，在初始階段，交換機的作用類似於傳統的共享式集線器，直到對映表建立起來後，才能真正發揮其效能。這種工作方式改變了共享式乙太網的衝突競爭模式，如同在不同的行駛方向上架設了立交橋，不同方向的車輛可以同時通行，從而大大提高了網路流量的吞吐量。

從 VLAN 的角度來看，由於只有子網內部的節點競爭頻寬，網路效能得到提高。例如，主機 1 訪問主機 2 的同時，主機 3 也可以訪問主機 4，當各個部門擁有自己獨立的伺服器時，這一優勢更加明顯。但隨著伺服器趨向於集中管理，以及網際網路應用的興起，這種優勢正在逐漸減弱。

不同 VLAN 之間的通訊需要透過路由器來實現。此外，為了實現不同網段之間的通訊，也需要使用路由器進行互聯。

3.3 三層

三層交換機 則可以處理第三層網路層協議，用於連線不同網段，透過對預設閘道器的查詢學習來建立兩個網段之間的直接連線。

三層交換機可以實現路由器的全部或部分功能，但只能用於同一型別的區域網子網之間的互連。這樣，三層交換機可以像二層交換機那樣透過 MAC 地址標識資料包，也可以像傳統路由器那樣在兩個區域網子網之間進行功能較弱的路由轉發，它的路由轉發不是透過軟體來維護的路由表，而是透過專用的 ASIC 晶片處理這些轉發；

3.4 四層

四層交換機可以處理第四層傳輸層協議，可以將會話與一個具體的 IP 地址繫結，以實現虛擬 IP ；

3.5 七層

七層交換機是一種更為智慧的交換裝置，它能充分利用頻寬資源，對應用層資料進行過濾、識別和處理。

分類

4.1 形狀尺寸

交換器有多種形式，包括：獨立的桌面型裝置，通常用於家庭或辦公環境中，安裝在配線櫃外；機架式交換器，適用於安裝在裝置機架或機櫃中；DIN 導軌安裝的交換器，常用於工業環境；以及小型交換器，安裝在電纜管道、地板盒或通訊塔中，例如在光纖到辦公室（FTTO）的基礎設施中。

機架式交換器可以是獨立裝置、可堆疊交換器，或具有可更換線卡的大型機箱式裝置。

4.2 工作溫度

根據其耐溫設計和出廠合規測試，乙太網交換機可分為商業級乙太網交換機和工業級乙太網交換機。商業級乙太網交換器通常適用於 0℃至 70℃的工作環境，而工業級乙太網交換機則適用於 - 40℃至 70℃的更寬溫度範圍。商業級乙太網交換機常用於辦公室或有空調的室內空間。工業級乙太網交換機由於經常部署在室外或溫差較大且無空調的環境中，因此其散熱設計更為重要。

4.3 網管型與非網管型

依照是否具備內建網管軟體，交換機可分為網管型交換機和非網管型交換機。網管型交換機適用於需要透過中央控制主機進行遠端網路裝置啟停管理的架構，通常應用於對網路管理有較高要求的網路核心區域。非網管型交換機則不具備內建網管軟體配置，安裝簡便，即插即用，因此更適合應用於對管理需求較低的網路邊緣區域。

4.4 傳輸通訊介面

網路介面依照不同的傳輸介質和協議進行分類，其中最常見的是 RJ45 介面 ，通常使用雙絞線（如 Cat5e、Cat6 等）作為傳輸介質。光纖通訊則應用於高速和長距離的資料傳輸環境，其常用介面包括 SFP 、SFP + 等。此外，還有一種相對少見的同軸電纜介面，例如 BNC 接頭，主要用於一些舊式網路裝置。

頻寬

網路交換機的頻寬常見規格包括：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s、100Gb/s 等。

Mbps 與 MB/s 的換算關係： 1 Mbps = 0.125 MB/s