一看就懂！網路架構基礎教學，小白也能輕鬆理解的網路架設基礎
網路交換機將網路中的裝置相互連線，使它們能夠透過交換資料包進行交談。交換機可以是管理實體網路的硬體裝置，或是以軟體形式的虛擬裝置。
網路交換機在開放系統互連（OSI，Open Systems Interconnection）模型的資料鏈路層或第 2 層上執行。在使用乙太網的區域網（LAN）中，網路交換機透過檢視媒體訪問控制（MAC，Media Access Control) 位址來確定向何處傳送每個傳入訊息幀。交換機維護將每個 MAC 位址與接收 MAC 位址的埠相匹配的表。
為什麼網路交換機很有價值？
交換機負責在不同端點之間中繼資訊，並提供大量好處：
- 交換機構成了現代資料網路中的大多數網路裝置，並在電信提供商網路中攜帶大量流量。
- 他們提供全雙工（Full-duplex）通訊，連線網路段，提高網路效能，並有效利用可用頻寬。
- 交換機提供與桌上型電腦、無線接入點（AP，Access Points）、印表機、工業機械和一些物聯網（IoT）裝置的有線連線，如門卡進入系統。
- 它們連線資料中心中託管虛擬機器（VM，Virtual Machine) 的電腦，以及實體伺服器和大部分儲存基礎設施。
- 大多數現代交換機採用乙太網供電技術，可以提供高達 100 瓦的電力來支援網路裝置的連線。這使企業能夠設定戶外照明、安全攝影機、IP 語音和電話、各種感測器等裝置，用於在不需要單獨電源的地方監控偏遠地區。
- 來自物聯網裝置的資料，可以透過網路交換機收集，並被人工智慧和機器學習演算法用於最佳化更智慧的環境。
網路交換機是如何工作的？
所有交換機都從一個位置傳輸資料到另一個位置，但它們的硬體和軟體配置可能差異很大。網路交換機可以透過以下方式佈署：
- 邊緣，或造存取，各式交換機。這些交換機管理進出網路的流量。電腦和 AP 等裝置連線到邊緣交換機。
- 聚合或分發交換機。這些交換機被放置在網路拓撲的可選中間層中。邊緣交換機連線到這些，並將流量從交換機傳送到交換機，或傳送到核心交換機。
- 核心交換機。這些網路交換機構成了網路的骨幹。核心交換機將聚合或邊緣交換機、使用者或邊緣網路裝置，連線到資料中心網路，將企業區域網連線到路由器。
如果資料幀被轉發到交換機基礎設施不熟悉的 MAC 地址，則資料幀將被淹沒到交換域中的所有埠。多播和廣播的資料幀也被淹沒了。這被稱為廣播、未知單播和多播洪水。此功能使 OSI 通訊模型中的第 2 層裝置切換。
許多資料中心採用主幹枝葉式架構，這消除了聚合層。在這個設計中，伺服器和儲存連線到葉子交換機（邊緣交換機）。 每個葉子開關連線到兩個或多個主幹（核心）交換機。這減少了從源到目的地的資料跳數（the number of hops data），從而減少了延遲。
一些資料中心建立了一個結構或網狀網路設計，使每個裝置看起來都位於一個單一的大交換機上。這種方法將延遲降至最低。使用高效能運算（HPC）的高要求應用，通常使用這種方法。
對於小型企業和家庭網路，網路交換機為連線到千兆位乙太網提供了額外的乙太網埠的好處。
然而，並非所有網路都使用交換機。網路可以組織在令牌環中（token ring，又稱權杖環或權標環），也可以透過匯流排（BUS）、集線器（HUB）或中繼器(Repeater)連線。在這些網路中，每個網路連線的裝置都會看到所有流量，並讀取傳送給它的流量。也可以透過直接將電腦相互連線來建立網路，而無需單獨的網路裝置層。這種方法主要適用於 HPC，它需要 5 微秒以下的延遲，並且設計、連線和管理相當複雜。
什麼是交換機的類型？
網路中有幾種類型的交換機：
- 虛擬交換機是在虛擬機器託管環境中例項化的僅軟體交換機。
- 路由交換機連線區域網。除了進行基於 MAC 的第 2 層交換外，它們還在 OSI 第 3 層（網路層）執行路由功能，根據每個資料包中的 IP 位址引導流量。
- 託管交換機允許使用者調整交換機上的每個埠。這實現了監控和配置更改。
- 非託管交換機使乙太網裝置能夠使用自動協商自動傳遞資料，自動協商決定資料速率等參數。配置是固定的，無法編輯。
- 智慧交換機可以配置為對資料傳輸進行更多控制，但與託管交換機相比，它們有更多的限制。智慧交換機也被稱為部分管理交換機。
- 可堆疊交換機是固定交換機，可以透過背板電纜介面相互連線，從兩個或多個實體交換機形成單個邏輯交換機。
- 模組化交換機是用於模組化或基於底盤的交換機的交換機卡，可以插入一個相當大的固定外形底盤中，可以容納兩個或多個卡。由於交換機介面可以根據需要進行更改，因此這種交換機具有最大的靈活性和升級性。
如何設定網路交換機
根據網路類型，可以使用不同類型的交換機。對於小型辦公室區域網或家庭網路，網路交換機通常插入路由器上的某個埠。交換機擴大了小型網路中有線網際網路連線裝置的數量，包括桌上型電腦、膝上型電腦和印表機。
設定網路交換機的典型步驟如下：
- 交換機是根據網路的需求和要求購買的。
- 交換機上的埠使用直通電纜連線到路由器。大多數交換機都包含上行鏈路埠，用於連線到路由器等裝置。 但是，如果交換機上沒有上行鏈路埠，則可以使用任何埠連線到路由器。
- 一旦交換機實體連線到路由器，裝置的 IP 位址就會被配置。
網路交換機有哪些不同的用途？
交換機在跨網路提供網際網路連線和網路通訊方面發揮著非常重要的作用。
以下是網路交換機的各種應用案例：
- 透過自動連結連線，消除了手動和耗時的設定，網路交換機在網路裝置之間提供了有效的連線、速度和易用性。
- 交換機有助於建構更可靠、更安全的網路，因為它們對資料傳輸方式提供了一定程度的控制。
- 當需要使用實體連線連線單獨的網路裝置時，需要網路交換機，因為它們在前面有幾個埠。通常，這些埠是乙太網電纜的 RJ-45 埠；然而，埠的數量可能會有所不同。
- 交換機也可以在全雙工模式下執行，從而在網路上同時傳輸和接收資料。與只啟用半雙工模式（half-duplex）的集線器相比，交換機幾乎是網路速度的四倍。
- 網路交換機對家庭網路，和經常使用高功率流媒體服務的場景很有幫助。如果一個人需要一種可靠的串流式傳輸，或播放 4K 影片的方式，它們特別有益。
- 由於網路交換機維護與之連線的每個裝置的不同 MAC 位址的列表，因此大多數網路通訊只路由到預期目的地，而不是廣播到所有連線的裝置。這減少了衝突，並消除了網路中的廣播域。
網路交換機與路由器
網路交換機很容易與路由器混淆。然而，它們具有不同的功能，並在不同的層上執行。
以下是交換機和路由器的主要區別：
- 網路交換機是 OSI 模型上的第 2 層裝置。路由器主要是第 3 層裝置。
- 路由器在兩個或多個電腦網路之間移動資料，而交換機透過在單個區域網上連線多個裝置來促進資源共享。
- 為了確定資料包的路由和目的地，路由器檢查資料包的 IP 位址。交換機檢視每個裝置的 MAC 位址，將資料傳輸到正確的目的地。
- 路由器使用資料包，而作為資料鏈路層一部分的交換機通常與資料幀一起工作。
- 交換機不如路由器複雜，因為與路由器不同，交換機不使用路由演算法將資料引導到大型網路中。
- 路由器可以在有線和 Wi-Fi 網路中工作，但交換機僅限於有線網路連線。
- 路由器提供網路位址轉換、NetFlow 和服務品質，而交換機不提供這些服務。
網路交換機與集線器
以下是交換機和集線器的主要區別：
- 雖然網路交換機是 OSI 模型上的第 2 層裝置，但集線器是第 1 層實體裝置。
- 與網路交換機相比，集線器相對簡單，因為與交換機不同，它不會追蹤傳輸流量的電腦的位址。
- 集線器的目標是連線網路中的所有節點，而乙太網交換機將所有網路裝置連線在一起，並在這些裝置之間傳輸資料包。
- 因為集線器無法像網路交換機那樣管理進出的資料，所以有很多通訊衝突。
- 交換機透過緩衝乙太網幀來防止碰撞，但集線器無法防止碰撞，因為裝置連線到單個傳輸流。
網路元件，如交換機、路由器和集線器，都以不同的方式傳送資料。瞭解這三台裝置的主要特徵和區別。
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