交换机的启动过程及运作原理

　　什么是交换机

　　交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

　　交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。交换机根据工作位置的不同，可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。

　　交换机启动过程

　　交换机的通常启动过程包括启动装载软件的操作，完成以下任务：

　　完成低级交换机CPU初始化。它将初始化控制映象的物理内存、CPU寄存器，包括数量、速度等参数。

　　为CPU子系统完成加电自检（POST）。它将检测CPU DRAM和生存闪存文件系统的闪存设备。

　　初始化系统主板上的闪存系统。

　　装载默认操作系统软件映象到内存，启动交换机。

　　这个启动装载提供程序是在操作系统装载前访问闪存文件系统的。通常情况下，启动装载程序仅用于装载、解压和登录操作系统。在启动装载程序移交CPU控制权限到操作系统后，这个启动装载程序就处于非活动状态，直到下次系统重启或重新开启电源。

　　在可以为交换机分配信息前，确保交换机控制台接口已连接到PC机或者终端上，并为交换机控制台接口配置好了PC机或者终端仿真软件连接速率和字符格式。连接速率默认为9600b/s，数据位默为8位。

　　交换机的工作原理

　　当交换机收到数据时，它会检查它的目的MAC地址，然后把数据从目的主机所在的接口转发出去。交换机之所以能实现这一功能，是因为交换机内部有一个MAC地址表，MAC地址表记录了网络中所有MAC地址与该交换机各端口的对应信息。某一数据帧需要转发时，交换机根据该数据帧的目的MAC地址来查找MAC地址表，从而得到该地址对应的端口，即知道具有该MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上，然后交换机把数据帧从该端口转发出去。

　　1.交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。

　　2.交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。

　　3.如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）。

　　4.广播帧和组播帧向所有的端口转发。

　　例：某网络如图1所示。

　　

　　表1端口/MAC地址映射表

　　MAC地址 端口

　　00-10-B5-4B-30-85E0/1

　　00-10-B5-4B-30-90E0/2

　　00-10-B5-4B-30-65E0/24

　　假设主机pc1向主机pc7发送一个数据帧，该数据帧被送到交换机后，交换机首先查MAC地址表，发现主机pc7连接在E0/24接口上，就将数据帧从E0/24接口转发出去。

　　二、MAC地址表的构建过程

　　为快速转发报文，以太网交换机需要建立和维护MAC地址表。交换机采用源MAC地址学习的方法建立MAC地址表。

　　（1）交换机初始状态

　　交换机的初始状态MAC地址表为空，如图2所示。

　　

　　（2）地址表源MAC地址学习

　　当计算机PC1要发送数据帧给计算机PC6时，因此时地址表是空的，交换机将向除PC1连接端口E0/1以外的其他所有端口转发数据帧。在转发之前，首先检查该数据帧的源MAC地址（00-10-B5-4B-30-85），并在交换机的MAC地址表中添加一条记录（00-10-B5-4B-30-85，E0/1）使之和端口E0/1相对应。

　　（3）计算机PC6接收数据帧

　　计算机PC6收到发送的数据帧后，用该数据帧的目的MAC地址和本机的MAC地址比较，发现PC1找的正是它，则接收该数据帧，其他计算机丢弃数据帧。

　　计算机PC6回复PC1时，交换机直接从端口E0/1转发，并学习到（00-10-B5-4B-30-65）为PC6连接的端口，将其添加到地址表中，如图3所示。

　　

　　交换机的其他端口利用源MAC地址学习的方法在MAC地址表中不断添加新的MAC地址与端口号的对应信息。直到MAC地址表添加完整为止。

　　为了保证MAC地址表中的信息能够实时地反映网络情况，每个学习到的记录都有一个老化时间，如果在老化时间内收到地址信息则刷新记录。对没有收到相应的地址信息的则删除该记录。例如，计算机PC6停止了和交换机通信，达到老化时间后，交换机会将其对应的记录从MAC地址表中删除。

　　也可以手工添加交换机的MAC地址表的静态记录，手工配置的静态记录没有老化时间的限制。由于MAC地址表中对于同一个MAC地址只能有一条记录，所以如果手工配置了MAC地址和端口号对应关系后，交换机就不再动态学习这台计算机的MAC地址了。