交換機，是一種常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是組網(wǎng)必不可少的設(shè)備之一。

上個世紀(jì)九十年代，局域網(wǎng)交換設(shè)備出現(xiàn)。隨后，交換設(shè)備開始普及。中國技術(shù)界在引入交換設(shè)備的時候，并沒有按照交換機原來的英文單詞“Switch”直譯為開關(guān)，而是譯作“交換”，這個“交換”專指電信技術(shù)的信號交換，通俗易懂。

交換機，可以理解為是一種交換集線器，是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

目前我們常見的交換機，組成和原理上基本一致。

交換機擁有一條高帶寬的背板總線，所有的端口都掛接在背板總線，再通過交換機內(nèi)部的交換矩陣，完成信號交換。

當(dāng)交換機接入網(wǎng)絡(luò)，完成加電后，交換機內(nèi)部的控制電路會收到通過端口傳來的數(shù)據(jù)幀，學(xué)習(xí)到MAC地址，并將其存放在內(nèi)部地址表中，并確定目的MAC地址的網(wǎng)卡掛接在哪個端口上，在數(shù)據(jù)幀的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時的交換路徑，數(shù)據(jù)幀便可直接由源地址到達目的地址。

若是交換機找不到目的MAC或是目的MAC不存在，交換機會廣播到所有的端口，在接收端口回應(yīng)后，交換機學(xué)習(xí)到新的MAC地址，并添加到內(nèi)部地址表中。

因此，交換機首要的功能便是“學(xué)習(xí)”，交換機要了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換機緩存的MAC地址表。

其次，交換機要完成信號交換，本身還要具備轉(zhuǎn)發(fā)、過濾的功能，當(dāng)數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，會被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點的端口；若數(shù)據(jù)幀是廣播幀或是組播幀，則會被轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口。

交換機還有著消除回路的功能，當(dāng)交換機包括一個冗余回路時，以太網(wǎng)交換機通過生成樹協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時允許存在后備路徑。

生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP），是一種工作在OSI七層模型中的第二層數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。

STP協(xié)議，通過協(xié)商阻斷一些交換機端口，以確保網(wǎng)絡(luò)中所有目的地之間只有一條邏輯路徑，構(gòu)建一顆沒有環(huán)路的轉(zhuǎn)發(fā)樹。當(dāng)一個端口阻止流量進入或離開時，該端口便視為處于阻塞狀態(tài)，但是STP協(xié)議用來防止環(huán)路的網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）幀仍可通行。

在多臺交換機組成的網(wǎng)絡(luò)中，STP協(xié)議工作，首先要進行根網(wǎng)橋的選舉。交換機之間，依據(jù)網(wǎng)橋優(yōu)先級（bridge priority）和MAC地址（交換機的MAC地址）組合生成的橋ID（Bridge ID，BID），選舉橋ID最小的交換機為網(wǎng)絡(luò)中的根橋（bridge root）。

根橋選舉完成后，其余的交換機就成了非根橋。非根橋交換機要選舉出到根橋的根路徑，STP協(xié)議通過計算每個端口到根橋的路徑代價Cost值，最低Cost值的就是根路徑，與之對應(yīng)的端口就是根端口。

對于根橋交換機，它的所有端口都是指定端口（designated port，DP），會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而對于非根橋交換機，確定根端口以后，還必須將剩余端口配置為指定端口或非指定端口（non-designated port，non-DP），完成邏輯無環(huán)生成樹。交換網(wǎng)絡(luò)中的每個網(wǎng)段都只能有一個指定端口。

在根路徑確認(rèn)以后，非根橋交換機的指定端口狀態(tài)為forwarding（轉(zhuǎn)發(fā)），可以進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，非指定端口狀態(tài)為blocking（阻塞），作為備份路徑。

一般來說，我們所說的交換機都默認(rèn)是用于局域網(wǎng)交換的二層交換機。二層交換機的“二層”是指OSI七層模型中的第二層數(shù)據(jù)鏈路層，這類交換機是基于MAC地址工作。

還有三層交換機，“三層”是指OSI七層模型中的第三層網(wǎng)絡(luò)層（IP層），基于IP地址和協(xié)議進行交換，同時也包含二層交換機的功能。

四層交換機，“四層”是指OSI七層模型中的第四層傳輸層，在二、三層的基礎(chǔ)上，包含四層交換功能，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的協(xié)議端口信息進行目標(biāo)端口的確認(rèn)。

七層交換機，“七層”是指OSI七層模型中的第七層應(yīng)用層，因此這一類交換機也叫作應(yīng)用型交換機，一般只有在大型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心才能見到。這一類交換機，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)不僅僅依據(jù)MAC地址（二層交換）或是源/目標(biāo)IP地址（第三層路由）以及依據(jù)TCP/UDP端口（第四層地址），還包括了數(shù)據(jù)內(nèi)容，更加智能化。