交换局域网技术：原理、特点和服务

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾，提出了交换局域网技术。图3-21交换局域网的工作原理2.交换局域网的特点交换式以太网是以数据链路层的帧为数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。为了保护用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某类局域网设计的。图3-22局域网交换机典型的交换局域网是交换以太网，它的核心部件是以太网交换机。4）支持虚拟局域网服务。

1.共享介质局域网存在的问题

传统的局域网是建立在共享介质的基础上，网中所有节点共享一条公共通信传输介质，这样可以保证每个节点能够公平地享用传输介质。但当局域网规模不断扩大，节点数不断增加时，每个节点平均能分到的带宽就越来越少，网络通信负荷加重，冲突和重发现象就大量发生，网络传输延迟增长，网络服务质量下降。

为了克服网络规模和网络性能之间的矛盾，提出了交换局域网技术。交换式局域网技术的核心设备是局域网交换机，可以在它的端口建立多个并发连接，如图3-21所示。

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图3-21　交换局域网的工作原理

2.交换局域网的特点

交换式以太网是以数据链路层的帧为数据交换单位，以以太网交换机为基础构成的网络。它从根本上解决了共享以太网所带来的问题，其特点如下。

（1）允许多站点同时通信，每个站点可以独占传输通道和带宽。

（2）灵活的接口速率。

（3）具有高度的网络可扩充性和延展性。

（4）易于管理、便于调整网络负载的分布，可有效地利用网络带宽。

（5）交换以太网与以太网、快速以太网完全兼容，实现无缝连接。

（6）可互联不同标准的局域网。

3.交换局域网的工作原理

（1）交换局域网的基本结构

如图3-22所示，交换局域网的核心设备是局域网交换机，它可以在它的多个端口之间建立多个并发连接。为了保护用户已有的投资，局域网交换机一般是针对某类局域网设计的。

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图3-22　局域网交换机

典型的交换局域网是交换以太网，它的核心部件是以太网交换机。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个节点连接，也可以与一个共享介质的以太网集线器连接。

如果一个端口只连接一个节点，那么这个节点就可以独占整个带宽，这类端口通常被称为“专用端口”；如果一个端口连接一个与端口带宽相同的以太网，那么这个端口将被以太网中的所有节点所共享，这类端口被称为“共享端口”。典型交换以太网结构如图3-23所示。

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图3-23　交换以太网结构图

（2）交换局域网的工作原理

局域网交换机的结构与工作原理如图3-24所示。交换机有6个端口，其中端口1、4、5、6分别连接了节点A、节点B、节点C与节点D。那么交换机的“端口号与MAC地址映射表”就可以根据以上端口号与节点MAC地址的对应关系建立起来。如果节点A与节点D同时要发送数据，那么它们可以分别在以太网帧的目的地址字段（DA）中添加该帧的目的地址。

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图3-24　交换局域网工作原理

例如，节点A要向节点C发送帧，那么该帧的目的地址DA=节点C；节点D要向节点B发送帧，那么该帧的目的地址DA=节点B。当节点A、节点D同时通过交换机传送以太网帧时，交换机的交换控制中心根据“端口号与MAC地址映射表”的对应关系找出帧的目的地址的输出端口号，那么它就可以为节点A到节点C建立端口1到端口5的连接，同时为节点D到节点B建立端口6到端口4的连接，这种端口之间的连接可以根据需要同时建立多条，也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接。(https://www.chuimin.cn)

4.局域网交换机技术

（1）冲突域和广播域

冲突域是物理上连在一起可能发生冲突的网络分段。一个冲突域的典型特征就是同一时刻只允许一台主机发送数据，否则冲突就会发生。

广播域是指网段上的所有设备的集合，这些设备收听该网络中所有的广播。当网络中一台主机发送广播时，网络上的每个设备必须收听并且处理此广播，即使这个广播对接收它的设备没有任何的帮助。

网络互联设备可以将网络划分为不同的冲突域、广播域。但是，由于不同的网络互联设备可能工作在OSI模型的不同层次上，因此它们划分冲突域、广播域的效果也不相同。

（2）交换机与集线器的区别

交换机的作用是对封装的数据包进行转发，并减少冲突，隔离广播风暴。从组网的形式上来看，交换机与集线器非常类似，但实际工作原理有很大的不同。

从OSI体系结构看，集线器工作在OSI参考模型的第1层，是一种物理层的连接设备，因而它只对数据的传输进行同步、放大和整形处理、不能对数据传输的短帧、碎片等进行有效的处理，不差错处理，不能保证数据的完整性和正确性。交换机工作在OSI参考模型的第二层，属于数据链路层的连接设备，不但可以对数据的传输进行同步、放大和整形处理，还提供数据的完整性和正确性的保证。

集线器是一种广播方式，一个端口发送信息，所有端口都可以接收到，容易发生广播风暴；同时集线器共享带宽，当两个端口之间通信时，其他端口只能等待。

而交换机是一种交换方式，一个端口发送信息，只有目的端口可以接收到，能够有效地隔离冲突域，抑制广播风暴，同时每个端口都有自己的独立带宽，两个端口之间的通信不会影响其他端口间的通信。

（3）交换机的技术特点

交换机的技术特点如下。

1）低交换传输延迟。

2）高传输带宽。

3）允许10Mb/s与100Mb/s共存。

4）支持虚拟局域网服务。

（4）第3层交换技术

简单地说，第3层交换技术就是“第2层交换技术+第3层转发”。第3层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后网段中的子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络“瓶颈”问题。

一个具有第3层交换功能的设备，是一个带有第3层路由功能的第2层交换机，但它是两者的有机结合，而不是简单地把路由器设备的硬件及软件叠加在局域网交换机上。由于仅仅在路由过程中才需要第3层处理，绝大部分数据都通过第2层交换转发，因此第3层交换机的速度很快，接近第2层交换机的速度，同时，比相同路由器的价格低很多。可以相信，随着网络技术的不断发展，第3层交换机有望在大规模网络中取代现有路由器的位置。

5.虚拟局域网

虚拟局域网（VLAN）是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样，由此被称为虚拟局域网，如图3-25所示。

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图3-25　虚拟局域网举例

VLAN是一种比较新的技术，工作在OSI参考模型的第2层和第3层，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。

与传统的局域网技术相比较，VLAN技术更加灵活，其具有以下优点：网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少；可以控制广播活动；可提高网络的安全性。

交换局域网技术：原理、特点和服务

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