交换机工作模式

顺着网络传输的路径，本文我们来探索下交换机。

交换机的设计是将网络包原样转发到目的地。

我们先来探索下交换机的工作模式。

交换机内部结构可以简单理解为有两个模块：接收模块 和 MAC 模块。

首先，信号到达网线接口，并由接收模块进行接收，这一部分和集线器是相同的。接下来，接收模块会将网线中的信号转换为通用格式，然后传递给 MAC 模块。MAC 模块将信号转换为数字信息，然后通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没有问题则存放到缓冲区中（如果检测到错误就丢弃这个包）。

将包存入缓冲区后，接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表 中有记录了。MAC 地址表主要包含两个信息，一个是设备的 MAC 地址，另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上，具体结构如下表所示：

MAC 地址	端口	控制信息
00-02-B3-1C-9C-F9	2	...
AA-BB-CC_DD-EE-FF	7	...
...	...	...

MAC 地址是和端口号一一对应的。通过这张表就能够判断出收到的包应该转发到哪个端口。举个例子，如果收到的包的接收方 MA C地址为 00-02-B3-1C-9C-F9，则与上表中的第 1 行匹配，根据端口列的信息，可知这个地址位于 2 号端口上，然后就可以通过交换电路将包发送到相应的端口了。

交换电路的结构如下图所示，它可以将输入端和输出端连接起来。其中，信号线排列成网格状，每一个交叉点都有一个交换开关，交换开关是电子控制的，通过切换开关的状态就可以改变信号的流向。 交换电路的输入端和输出端分别连接各个接收端口和发送端口，网络包通过这个网格状的电路在端口之间流动。每个交叉点上的交换开关都可以独立工作，因此只要路径不重复，就可以同时传输多路信号。

MAC 地址表的维护

交换机在转发包的过程中，还需要对 MAC 地址表的内容进行维护，维护操作分为两种。

第一种是收到包时，将发送方 MAC 地址以及其输入端口的号码写入 MAC 地址表中。 由于收到包的那个端口就连接着发送这个包的设备，所以只要将这个包的发送方 MAC 地址写入地址表，以后当收到发往这个地址的包时，交换机就可以将它转发到正确的端口了。交换机每次收到包时都会执行这个操作，因此只要某个设备发送过网络包，它的 MAC 地址就会被记录到地址表中。

另一种是删除地址表中某条记录的操作，这是为了防止设备移动时产生问题。 如果连接在某个交换机上的设备突然移动或断开，那么当交换机收到发往这台已经消失的设备的包，它依然会将包转发到原来的端口，通信就会出错，因此必须想办法删除哪些过时的记录。然而，交换机没有办法知道某台设备是否从原来的端口移走。因此地址表中的记录不能永久有效，而是要在一段时间不使用后就自动删除。

过时记录从地址表中删除的时间一般为几分钟，因此在过时记录被删除之前，依然可能有发给该设备的包到达交换机。这时，交换机会将包转发到老的端口，通信就会发生错误，这种情况尽管罕见，但的确也有可能发生。遇到这样的情况，只要重启一下交换机，地址表就会被清空并更新正确的信息，然后网络就又可以正常工作了。

特殊场景

上面我们学习了交换机的基本工作模式，下面我们来看一些特殊场景下交换机的一些操作。

源端口和目标端口是同一个

如下图所示，计算机 A 发送的包到达集线器后会被集线器转发到所有端口上，也就是会到达交换机和计算机 B。这时，交换机转发这个包之后，这个包会原路返回集线器，然后，集线器又把包转发到所有端口，于是这个包又到达了计算机 A 和计算机 B。所以计算机 B 就会收到两个相同的包，这会导致无法正常通信。因此，当交换机发现一个包要发回到原端口时，就会直接丢弃这个包。

找不到 MAC 地址

还有另外一种特殊情况，就是地址表中找不到指定的 MAC 地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包，或者这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表中删除了。这种情况下，交换机无法判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上，无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包。这样做不会产生什么问题，因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络的，然后只有相应的接收者才接收包，而其他设备则会忽略这个包。

此外，如果接收方 MAC 地址是一个广播地址（广播地址（broadcast address）是一种特殊的地址，将广播地址设为接收方地址时，包会发送网络中的所有的设备。MAC 地址中的 FF:FF:FF:FF:FF:FF 和 IP 地址中的 255.255.255.255 都是广播地址），那么交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。

参考文档

《网络是怎样连接的》—— 户根勤

网络是怎样连接的（二十一）—— 交换机工作模式