行业概况

1、交换机定义及分类

定义：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。从广义上来分析，在通信系统里对于信息交换功能实现的设备，就是交换机。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。

交换式集线器又称为以太网交换机、二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层），或直接简称为交换机。交换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。

按照OSI划分：

二层交换机：基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。

三层交换机：基于P地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。

四层交换机：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址（第二层网桥）或源/目标P地址（第三层路由），而且依据TCP/UDP（第四层）应用端口号。第四层交换功能就像是虚IP，指向物理服务器。它所传输的业务服从各种各样的协议，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。

四层以上交换机：第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要用于互联网数据中心。

按照网络层次划分：

接入层交换机：一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。

核心层交换机：一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量；

汇聚层交换机：可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口；

按照应用区域划分：

广域的交换机：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。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台；

局域网交换机：应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。

2、交换机行业发展历程

自1989年第一台交换机面世至今，交换机已更新至第四代，转发性能、端口速率、交换容量都实现大幅度提升，交换机技术仍在不断迭代当中。

第一代：集线器：集线器是交换机的前身，集线器工作于开放系统互联参考模型（OSI）的第一层，即“物理层”，主要功能为对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。由于集线器收到报文会向所有端口转发，同时只能传输一个数据帧，通过集线器相连的所有主机处于同一个冲突域中，因此，当有多台主机同时发送数据报文时，大量的冲突将导致性能显著下降，以集线器为核心构建的网络是共享式以太网的典型代表。

第二代：二层交换机：交换机是在多端口网桥的基础上逐步发展起来的，1989年第一台以太网交换机诞生，最初的交换机完全符合OSI定义的层次模型，即工作于第二层“数据链路层”因而称为“二层交换机”，二层交换机识别数据帧中的MAC（媒体存取控制）地址信息，主要根据MAC地址选择转发端口，算法相对简单，便于ASIC（专用集成电路）实现，因此转发性能高，使得以太网从共享式升级为交换式，有效提高小型局域网性能。

第三代：三层交换机：三层交换机，即工作于第三层“网络层”的交换机，是在VLAN（虚拟局域网）技术发展的基础上诞生的。三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，适用于大型局城网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，

第四代：多业务交换机：在万兆以太网出现后，各类高带宽业务开展和部署对网络设备的要求增多，包括数据的连通性、安全性、可靠性、服务质量等，同时为了降低组网成本和简化管理维护，网络设备功能开始出现融合趋势，多业务交换机由此诞生。多业务交换机支持多层转发，但由于ASIC的限制，当前多数多业务交换机为二三层业务叠加上层增值服务，本质上为多设备安装在同一机框。

3、交换机应用场景

交换机作为各种类型网络终端互联互通的关键设备，应用场景广泛。根据不同应用场景可分为：

园区企业交换机作为连接个人、家庭与社会关系的纽带，横跨教育、医疗、金融等多个行业，对核心设备的超宽、融合能力提出更高诉求。

数据中心交换机主要用于支持数据中心网络组网，支持较为丰富的数据中心特性。

工业交换机针对工业应用需求提供组网设备，要求耐高低温能力强、抗干扰能力更强、更高的可靠性稳定性安全性等，其广泛运用至工业控制、制造业、能源电力、智慧交通等领域。

4、交换机技术原理

交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps以太网交换机，那么该交换机这时总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域。