文档介绍：版权所有
1. 以太网交换机原理
以太网交换机，作为今天我们广为使用的局域网硬件设备，一直为大家所熟悉。它的普
及程度其实是由于以太网的广泛使用，作为今天以太网的主流设备，几乎所有的局域网中都
会有这种设备的存在。看看以下的拓扑，大家会发现，在使用星型拓扑的情况下，以太网中
必然会有交换机的存在，因为所有的主机都是使用电缆集中连接到交换机上从而能够互相连
接的：
其实在最早的星型拓扑中，标准的线缆集中连接设备是“HUB（集线器）”，但是集线
器存在着：共享带宽、端口间冲突等问题，因为大家都知道，标准的以太网是一个“冲突的
网络”，也就是说在一个所谓“冲突域”里面，最多只有两个节点可以互相通讯。而且，虽
然集线器有很多端口，但是其内部结构完全是以太网所谓的“总线结构”，也就是说其内部
只有一条“线路”来进行通信。如果上图中的设备是集线器的话，举个例子来说，假如端口
1 和 2 之间的节点正在通信，其它端口是需要等待的。直接造成的现象也就是，比如端口 1
和 2 所连接节点之间传送数据需要 10 分钟，端口 3 和 4 所在的节点在此同时也开始通过此
集线器传输数据，互相间冲突，造成大家所需的时间都会变久，时间可能会达到 20 分钟才
能传送完毕。也就是说集线器上互相通讯的端口越多，冲突越严重，传送数据所需的时间越
久。
这种问题在小型以太网中并不会造成很大问题，并且可以很好的工作，但是如果网络上
的通讯量有增加，或者连接的节点数目很多的时候，“冲突”会严重影响网络的性能，比如
我们在第一章中讲解以太网原理的时候就解释过优化“冲突域”的问题，这时候我们需要能
够隔离“冲突”的设备，交换机就可以完成这个功能了。
交换机在连接的时候，各个端口之间都可以同时通讯，也就是说端口间是不冲突的，也
可以用来隔离冲突。那么，什么样的原理造成交换机可以达成这个能力呢？我们来看看下图：
高骞版权所有翻录必纠
版权所有
我们可以发现，交换机内部存在着桥接的环境，理论上每个端口之间都有独立的通路，
而不是像集线器一样共享带宽。所以，当 1 口与 2 口间正在通讯的时候，3 口与 4 口也可以
同时进行通讯。这样一来理论上不会发生冲突，也就是说不会造成效率的降低。因为这个原
因，交换机才会在今天非常的普及。
刚才我们说交换机理论上可以让所有端口通讯互不影响，为什么强调理论上呢？因为，
事实上出于造价，很少有交换机可以达到我们上图中的所谓“矩阵式交换”的能力，因为大
家从图上也可以看到，为了让端口间绝对的存在可利用通路，每个端口都要预留到任何一个
端口的线路，这种全矩阵交换机的模型实现起来造价非常昂贵，因为要利用大量的 CPU 和
内存，这种工作方式的交换机动辄要价会达到几十万人民币，普通网络环境根本无法使用。
所以造成今天大部分的交换机其实是利用所谓“宽总线式交换”，牺牲带宽来换取造价，其
原理如下图：
宽总线式交换机是在交换机主板上预留一条“数据总线”，就像一条大家公用的公路，
每个端口都可以利用其其中一部分带宽，假如这个总线带宽为 200 兆的话，也就是说最多同
时是允许 2 组 100 兆端口同时可以通讯，其余端口如果也要通讯还是需要等待的，因为带宽
已经分配完毕了。所以，这种方式的设备比较理想工作状态还有一点差距，但是因为几乎不
会有普通交换机的端口会都在同时通讯，总会有些端口处在闲置的状态，所以满足绝大部分
的网络要求是可以满足的。因此，交换机有一项性能参数，叫做“交换容量”，也叫做“背
板带宽”，指的是“交换机可以同时进出所有端口数据量的总合”，其实也就是数据的吞吐能
力。
高骞版权所有翻录必纠
版权所有
当然，处在网络核心的一些交换机对这个参数是有要求的。大家不妨考虑下这种状况：
某台核心交换机用 16 个千兆端口连接 16 栋楼宇内的交换机，这台交换机绝对会要求 16 个
端口同时通信，并可能带宽达到饱和状态，也就是说它需要至少 16G 的交换总容量