随着互联网的快速发展，计算机网络已经成为现代社会不可或缺的一部分。在网络中，交换机作为一种重要的网络设备，具有重要的作用。交换机可以实现数据包的快速转发和数据流量的分配，为计算机网络的稳定运行提供了保障。相比于早期使用的集线器，交换机可以避免数据冲突和丢包等问题，提高了网络的数据传输效率和可靠性。此外，随着交换机的技术不断升级和发展，交换机也具备了更多的功能，比如支持虚拟局域网（VLAN）、链路聚合（LACP）、流量控制（QoS）等。这些功能使得交换机在现代企业、学校、医院等组织中得到广泛应用，并逐渐成为了网络主流设备之一。本文将介绍交换机的工作原理和优势，帮助读者更好地了解交换机在计算机网络中的重要作用。

交换机的前世今生：

早期，两台电脑之间进行联机需要使用网线连接它们的网卡。然而，购买网线时需要注意线序标准的问题，因为存在两种不同的线序标准，分别是568A和568B。如果你要连接的是两台电脑，那么需要使用交叉线，也就是一头使用568A标准，一头使用568B标准。而如果你要连接的是交换机或路由器等其他设备，那么需要使用直通线，也就是两头都采用相同的线序标准。这是因为物理层规定了使用什么样的物理介质以及怎样的线路去连接设备，这样可以避免在使用过程中出现错误。因此，在购买网线时需要明确你所要连接的设备类型，并选择正确的线序标准，以确保连接的稳定性和可靠性。

网络线缆标准

现在购买网线时，不再需要考虑线序标准的问题。这是因为现代网络设备和电脑网卡内置了自动翻转（线序自适应）功能，设备之间可以自动适应使用交叉线或直通线进行通信，从而大大减轻了施工人员的工作量。连接两台电脑后，需要对网卡进行设置IP、掩码、网关等参数，然后就可以开始在局域网（LAN）中联机游戏了。随着局域网内电脑数量的增加，一个电脑只有一个网卡就无法满足多台电脑之间的组网需求。在早期并没有交换机设备，而是一种叫做HUB的物理层设备（集线器）。集线器有多个接口，可以提供给不同设备进行连接，从而解决了多台电脑之间的局域网连接问题。

然而，集线器也存在一些缺点：

缺点一、广播域

广播域是一个逻辑上的概念，指在一个网络中，广播消息传播的范围。在以太网中，广播消息是通过以太网帧中的目的MAC地址为全1（FF-FF-FF-FF-FF-FF）来实现的。当一台设备发送一个广播消息时，所有连接在同一广播域内的设备都会收到该消息。

在一个以集线器为中心的网络中，所有设备都连接在同一广播域中，因为集线器会将所有收到的数据包广播到所有的端口上。这种情况下，一个设备发送的广播消息会被网络中的所有设备都接收到，导致网络拥塞和安全问题。

例如：

正常情况下，如果A想将一个文件发送给D，那么B和C是不应该收到这个文件的。然而，在集线器这样的物理层设备中，B和C会收到这个数据包。集线器只会对数据包进行物理层的放大和广播，而不会对链路层的内容进行解封装，因此从A发送的口收到的数据包也会从其他口广播出去。这种情况下，就形成了一个广播域，类似于村里或学校的广播站，大家都能在广播范围内听到。这种广播机制的结果是，A原本想要单独发送给D的数据包，却被B和C也接收到了。虽然B和C不会查看数据包的实际内容（因为在解封装的过程中发现MAC地址并不是自己的，就会将其丢弃），但这种情况下存在安全隐患，并且会浪费不必要的链路资源。

缺点二、冲突域：

在计算机网络中，冲突域是指多个设备共享同一个物理介质（例如同一条网线）时，当两个设备同时发送数据包时所产生的冲突区域。这种情况通常发生在半双工通信中，因为在半双工通信中，同一时间只能有一个设备发送数据。

当两个设备同时发送数据时，它们的数据包会在物理介质中相互碰撞，导致数据包的丢失和损坏，这就是冲突。而冲突的范围就是冲突域。在一个冲突域中，只有一个设备能够成功地将数据包发送到目的地，其他设备则需要等待一段时间后才能再次发送。

缺点三：带宽共享

集线器HUB是一种物理层设备，它可以提供多个接口，所有的接口都是共享这总线的带宽，这样就会使得多台计算机可以通过集线器进行连接并共享带宽。如果总线是10M，那么这个集线器的总速率就是10M，那么连接的多台计算机就会对其带宽进行平均分配，这样就会导致终端获取的速率，随着终端的增加而降低。

引入CSMA/CD （载波侦听多路访问/冲突检测）机制

为了解决集线器存在的上述缺点，就在 数据链路层定义了 一些规则，比如：CSMA/CD （载波侦听多路访问/冲突检测）机制 。

在CSMA/CD机制中，当一个设备想要发送数据时，首先会检测网络上是否有其他设备正在发送数据（即是否有载波存在），如果没有，则设备可以开始发送数据。但是如果有其他设备正在发送数据，那么设备就需要等待一段时间再进行侦听，直到网络上没有载波存在。

如果同时有多个设备想要发送数据，就会发生冲突。此时，所有设备会停止发送数据，并发送一个“冲突信号”，这个信号会通知其他设备出现了冲突，然后所有设备都会等待一个随机的时间后再次尝试发送数据。这个随机的时间是为了避免再次发生冲突，因为多个设备等待相同的时间，很有可能再次同时尝试发送数据。

总之，CSMA/CD机制的目的是确保网络中只有一个设备在发送数据，从而避免冲突和数据丢失。尽管这个机制在当时来说得到了广泛的应用，但是随着局域网终端数量的增多，冲突的发生也随之增加，即使引入CSMA/CD机制，也无法避免等待延时和带宽资源的浪费。这导致了Hub在满足市场需求方面存在一定的局限性。为了解决这个问题，交换机（switch）应运而生，并且与Hub有着本质的区别。交换机可以在链路层（MAC层）对数据进行分组和转发，通过交换机可以实现对数据包的精确转发，避免了Hub的广播域和冲突域的限制，从而提高了网络的性能和效率。

交换机出现：

工作原理：

交换机（Switch）是一种网络设备，它可以连接多台计算机和其他网络设备，如打印机、路由器等，并在它们之间进行数据传输。与HUB不同的是，交换机是一种智能设备，它能够识别每台设备的MAC地址，并根据MAC地址来决定将数据包转发到哪个端口，从而避免了HUB的广播域和冲突域的问题。

当一台计算机发送数据包到网络上时，交换机会先将这个数据包从接收端口读入，然后读取这个数据包的目的MAC地址。如果交换机的MAC地址表中已经有这个目的MAC地址对应的端口，那么交换机就只将这个数据包从对应的端口转发出去。如果交换机的MAC地址表中没有这个目的MAC地址对应的端口，那么交换机就会将这个数据包从除了接收端口以外的所有端口广播出去，并在接收到回应后，将回应的MAC地址和对应端口的信息加入MAC地址表中。

这样一来，交换机会根据MAC地址表中的信息，将数据包转发到正确的端口，从而实现了网络设备之间的直接通信。由于交换机只在必要时才广播数据包，因此它不会浪费不必要的带宽资源，并且能够提高网络的传输效率。

优势：

相比于集线器，交换机有以下优势：

1）提高网络带宽利用率：交换机能够将网络流量转发到目标设备，避免了广播风暴和冲突域，因此能够提高网络带宽的利用率，实现更高的网络传输速率。

2）提高数据传输的安全性：交换机能够根据目标设备的 MAC 地址将数据转发到目标设备，而不是向所有设备广播，从而减少了未授权访问和信息泄露的风险。

3）提高网络性能：交换机能够实现端口之间的全双工通信，从而避免了半双工通信中的冲突和延迟，大大提高了网络性能。

4）灵活的网络拓扑：交换机支持多种网络拓扑结构，包括星型、树型、环型等，使得网络拓扑更加灵活和可扩展。

总之，交换机具有高效、安全、稳定的特点，能够提高网络性能和可靠性，因此被广泛应用于企业、机构、学校等场所的局域网中。

写在最后：

自我设限，固步自封，唯有突破极限，才能发掘潜能。以上就是本期整理的《交换机设备的演进，如何成为当今网络中的重要角色》，自己经历过的风雨，所以知道你也会坚强。你的【点赞】+【关注】，我会自动解读为认可。

作者简介：

我是“网络系统技艺者”，系统运维工程师一枚，持续分享【网络技术+系统运维技术】干货。码字不易，如果您觉得文章还可以，就收藏吧，也许在以后某个时间能够用得到。