车载交换机（switch）的工作原理

谈思实验室 2024-06-30 18:12

入门级示波器的属性缺陷 精密双向电流传感放大器：精准测量，守护电流安全

点击上方蓝字谈思实验室

获取更多汽车网络安全资讯

交换机（switch）是常见的网络设备，大家在家里面可能用路由器比较多，但是如果你网络设备比较多，需要一些高阶用法，那交换机几乎是你绕不开的。首先需要搞清楚交换机和其他网络设备的区别。

- 集线器（hub）：集线器就是将网线集中到一起的机器，它可以对接收到的信号进行同步整形放大，以扩大网络的传输距离，是中继器的一种形式，区别在于集线器能够提供多端口服务，也称为多口中继器。集线器工作在物理层。集线器可以减少星型拓扑网络的线束，多个主机可以连接到同一个集线器来达到互联互通的目的。当集线器接收到一个端口的数据时，会向其他端口广播。

- 网桥（Bridge）：早期的两端口二层网络设备。网桥将两个网络连接起来，不仅可以拓展网络的距离或范围，还可以对网络间的数据流通进行管理。网桥工作在数据链路层。

- 交换机（Swtich）：交换机是集线器的升级换代产品。交换机不仅可以减少星型网络的线束，还可以对端口接收到的数据进行精准转发，而不是广播。交换机根据端口接收到数据中的目的MAC地址转发到对应的端口上，避免了和其他端口发生碰撞。交换机工作在数据链路层。

- 路由器（Router）：路由器不仅具有交换机的转发功能，还具有路由功能，是不同网络之间连接的枢纽。路由器会根据接收到的数据中的目的IP地址，在路由表中查询中下一节点的端口，然后进行转发。路由器工作在网络层。

交换机

交换机在家庭网络中，主要充当拓展接口的作用。当路由器需要连接的机器数量大于其端口数时，就需要交换机来拓展接口。还要一种应用场景就是有线mesh组网，通过交换机的单线复用功能，解决特定条件下的组网问题。

在汽车电子领域，交换机也有很重要的应用。在具有中央网关功能的域控制器或者中央计算平台上，switch可以大大减少线束，降低成本。

构建互联互通的局域网

如果你想将局域网的每台电脑相互连接，那么交换机将是你不二的选择。由下图所示，使用交换机来构建互联互通的局域网可以大大的减少网线的使用。当然集线器也可以做到这一点，但是集线器只是物理层的设备，如果图(B)中的设备是集线器，那么图(A)和图(B)的功能是完全一样的。但是如果是交换机，那么图(B)中网络的性能要远高于图(A)。

星型网络拓扑

首先交换机是数据链路层的设备，它可以解析端口中输入的以太网报文，将报文中的源MAC地址与端口建立映射。通过这种自学习的过程，建立MAC地址 <=> 端口映射数据库。之后再有报文输入，根据报文中的目的MAC地址进行查表，然后转发。可能你会有疑问，那刚开始还没建立数据库的时候怎么办呢？一开始的报文都是广播的。所以说如何使用的是集线器的话，其实每一帧报文都需要广播给所有链路，这样就增加了网络负载。

总结一下，通过switch构建局域网呢，可以将大量的广播报文，变成精确转发的单播报文，大大优化了网络性能。

虚拟局域网(VLAN, Virtual Local Area Network)

交换机的又一个高阶功能就是，分割局域网。在一个物理连接的大局域网中，我们可以通过配置交换机，来构建多个虚拟局域网。这里就需要网管交换机了，普通交换机就不支持了。网管交换机和非网管交换机的区别在于控制交换机的能力。非网管交换机只能插上电源就可以使用，而网管交换机可以进行配置，监控和管理。一般网管交换机要贵一点。

虚拟局域网

如上图所示，六台电脑(A~F)都连接在一台交换机上，那么它们在物理上是联通的，也就组成了一个大的局域网。现在我想要将其中三台电脑(A,B,D)放在一个局域网中，而其他三台电脑(C,E,F)放在另一个局域网中。那么我就可以通过配置交换机来构建虚拟局域网，比如我把端口0，端口1和端口3配置成vlan-1，把端口2，端口4和端口5配置成vlan-2，这样vlan-1和vlan-2就隔离开了，它们之间数据是不互通的。

vlan的实现是基于IEEE 802.1Q协议的。通过在以太网帧头部加入4字节的协议字段来标识出报文所属VLAN。在报文进入端口时，switch会根据端口配置来给报文加入VLAN协议字段，并标识出VLAN ID。VLAN ID与端口配置相同时才能被转发，不同的报文会被丢弃。我们把添加的4字节协议字段叫做VLAN tag。

802.1Q协议帧

交换机端口配置

对于家用的交换机来说，会使用VLAN相关的配置已经足够了。在交换机内部所有的报文都是有VLAN tag的。即使你没有给端口设置VID(VLAN ID)，每个物理端口都有一个PVID(Port-base VLAN ID)。可以将PVID理解为端口的默认VLAN ID。如果端口接收到没有VLAN tag的报文时，并且该端口没有设置VID，那么端口会根据PVID给报文添加VLAN tag。当端口设置了VID之后，端口的行为跟端口类型有关。

Access类型的端口主要用来连接终端设备，因为有些终端设备是处理不了VLAN tag的，Access类型的端口会在输出时去除VLAN tag。Trunk类型的端口主要用来在交换机之间串联，Trunk端口在输出时如果不是PVID，就不会去除VLAN tag，这使得在交换机之间传输数据时可以保留VLAN信息。Hybrid类型的端口主要用来连接大型服务器，它与Trunk类型的区别在于输出时是否去除tag由用户配置决定。