在当今网络世界中，交换技术是构建高效、可靠和安全网络的基础。Cisco 认证中的交换部分，旨在帮助我们掌握构建和管理企业级局域网 (LAN) 所需的关键技能。无论您是计划成为网络工程师、系统管理员，还是仅仅想深入了解网络底层原理，这部分内容都至关重要。

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什么是交换（Switching）？

简单来说，交换（Switching）是网络设备（最典型的是交换机）接收数据，并根据数据包中的特定信息，智能地将其转发到正确目的地的过程。

交换 (Switching) 就像一栋办公大楼内部的邮件收发室。管理员（交换机）只关心把信送到这栋楼里的某个房间（某台电脑），他非常熟悉每个员工（MAC 地址）坐在哪个位置（端口）。他的工作范围仅限于这栋楼内部。这个过程的核心是效率和精准性。

什么是路由（Routing）？

路由 (Routing) 则像是全球邮政系统的枢纽中心。这个中心（路由器）不关心一栋楼里具体谁是谁，它只关心这封信的目标城市和街道地址（IP 地址）。它的工作是为这封信规划一条从 “北京” 到 “纽约” 的最佳路径，至于信到了纽约市之后由哪个邮差送到具体门牌号，那是纽约本地邮局的事了。

简单来说，交换负责局域网（小范围）内的精准投递，而路由负责不同网络（大范围）之间的路径选择。

交换（Switching）是如何工作的？

交换之前：上古集线器 (Hub) 的时代

在交换机普及之前，网络主要使用集线器（Hub）来连接电脑，Hub工作在OSI的第一层（物理层）。集线器非常 “笨拙”，它的工作方式是：

  • 当任何一台电脑发送数据时，集线器会将这个数据复制并发送给连接到它的所有电脑。
  • 这就像在一个房间里，一个人说话，所有人都必须听，不管这话是不是对他们说的。

这种方式会导致两个严重问题：

  • 网络拥堵： 无关的数据占用了所有人的线路。
  • 冲突（Collision）： Hub的所有端口都处在一个冲突域，如果两台电脑同时说话，数据就会碰撞并损毁，需要重新发送，大大降低了网络效率。

交换机 (Switch) 的智能工作方式

交换机则 “聪明” 得多。它在OSI的第二层（数据链路层）工作，并且能够理解一种叫做 “MAC 地址” 的东西（理论上独一无二的物理地址，就像设备的身份证号）。

交换机的工作主要分三步：

  • 第一步：地址学习 (Address Learning)
    • 交换机内部有一张 “MAC 地址表”，就像一本通讯录。初始时，这张表是空的。
    • 当一台电脑（例如电脑 A）发送数据时，交换机会查看数据的来源 MAC 地址，并记录下来：“哦，MAC 地址为 A 的电脑是连接在我的 1 号端口上。” 它就这样不断学习，建立起自己的通讯录（端口和MAC地址的映射表）。
  • 第二步：转发 / 过滤决策 (Forwarding/Filtering Decision)
    • 当交换机收到一个要发送给电脑 B 的数据包时，它会查看数据包的目的 MAC 地址。
    • 然后，它查询自己的 MAC 地址表：
      • 如果找到了记录：“啊哈，电脑 B 在我的 5 号端口。” 于是，交换机只会将这个数据包单独发送到 5 号端口。这个过程就是 “转发”(Forwarding)。
      • 对于其他所有端口（1, 2, 3, 4, 6…），它们完全不会收到这个数据包，这就是 “过滤”(Filtering)。
  • 第三步：泛洪 (Flooding)
    • 如果交换机在 MAC 地址表中找不到目的 MAC 地址的记录（可能因为目标电脑还没发过言，或者它在另一个网络中），交换机就会采取一种临时策略：将该数据包广播到除了来源端口之外的所有端口。
    • 这就像在办公室问：“嘿，谁是Benjamin？” 当Benjamin回应后，交换机就知道他在哪里了，下次就可以直接把信给他。

交换技术的主要优势

  • 隔离冲突域 (Isolating Collision Domains)：交换机的每个端口都是一个独立的冲突域。连接在不同端口的设备可以同时发送数据而不会产生冲突，极大地提高了网络性能。
  • 提升网络带宽 (Increasing Network Bandwidth)：与集线器共享总带宽不同，交换机为每个端口提供了专用的带宽。例如，一个 24 口的千兆交换机，每个端口都能独享 1 Gbps 的速度。
  • 提高效率和安全性 (Improving Efficiency and Security)：数据只被发送到目标设备，而不是广播给所有人，这不仅减少了网络的整体流量，也使得数据更难被无关人员窃听。

交换的类型

虽然我们在上面主要讨论的是二层交换（基于 MAC 地址），这也是我们初学计算机网络是接触的交换类型，但交换技术还有其他类型：

  • 二层交换 (Layer 2 Switching)：最常见的类型，工作在数据链路层，使用 MAC 地址进行转发。是构建局域网的基础。
  • 三层交换 (Layer 3 Switching)：更高级的交换机，它既能像二层交换机一样工作，又能理解IP 地址（网络层地址）。它本质上是一个高速的路由器，能够在不同的 IP 子网之间快速转发数据，常用于大型企业网络的核心。
  • 更高层的交换：还有能读取四层（TCP/UDP 端口号）甚至七层（应用层数据）信息的交换机，用于实现更复杂的负载均衡和流量策略。

总而言之，交换是现代网络区别于早期网络的根本性技术。它通过智能的地址学习和精准的数据转发，将网络从一个混乱的 “广播式” 环境，变成了一个高效、有序的 “点对点” 通信系统。

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