全家福

两台主机如何连接起来？

• 在网络诞生之前，电脑之间都是单机运行，没有网卡、没有网线、没有协议栈，数据传输主要通过软盘、光盘等介质。

网线来了

• 【网线+网卡+协议栈】三要素，是组成“最小单元网络”的基础，缺一不可
• 网线提供物理介质，承载比特率/电信号。（类似电话线承载语音流/模拟信号）
• 网卡进行数据处理，例如将电脑磁盘上的数据/字节转换为网线上的电流/比特，将比特流转换为数据。
• 协议栈作为沟通语言，实现通信过程中的数据解析、地址寻址、流控制等。

网线不够长怎么办

• 终端之间如果举例太远，一旦超过网线物理传输距离上限，则数据开始丢失。

中继器来了

• 中继器是一种物理层产品，能够对信息进行中继和放大，实现设备远距离传输

中继口不够怎么办

• 中继器一般只有两个接口，意味着如果网络中超过三个终端主机的话，则无法实现多主机直接的数据通信。

集线器来了

• 集线器是一种“多口中继器”，也是属于物理层产品，能够对信息进行中继和放大，从任意接口收到的数据，会往其他所有接口泛洪
• 集线器不识别数据的寻址信息和上层内容，无法对终端主机进行隔离，多个主机处于同一个冲突域中，采用集线器网络，带宽利用率较低。
• 冲突域就是如果多台主机同时通信会发生冲突，这多台主机就处于一个冲突域。为什么会冲突？如果同一时间有多个人说话，就根本听不清，所以同一时间只能有一个人（主机）说话（发送数据）。

怎么解决冲突？网桥来了

• 网桥是一种链路层产品，能够记录终端主机的MAC地址并生成MAC表，MAC表相当于“地图”，网桥根据MAC表转发主机之间的数据流。
• 网桥能够进行冲突域隔离，有效的提高网络带宽利用率，不同接口之间的数据不会相互冲突。例如PC1发送给PC2的数据不会转发到右边（E2口）。
• 冲突域隔离就是把大房子隔成很多单间，每个单间的人都可以同时说话，而且每个房间的声音还不会相互干扰。
• 网桥的接口比较有限，默认是两个接口，对网络的冲突隔离比较有限，网桥没有专门的硬件而是采用CPU来处理数据，相对速度不够快。

不够快怎么办？交换机来了

• 交换机是一种链路层产品，能够记录终端主机的MAC地址并生成MAC表，MAC表相当于“地图”，交换机根据MAC表转发主机之间的数据流。
• 交换机是在网桥的基础上进行延伸和升级，相比网桥，主要有几个优势：(1)接口数量更加密集（每个主机在独立的冲突域，带宽利用率大大提高）；(2)采用专用ASIC硬件芯片进行高速转发；(3)能够进行VLAN隔离（不仅仅可以隔离冲突域，而且通过VLAN隔离广播域）
• 交换机是一种局域网产品，一般用于本地网络，无法实现远程广域网通信

不够远怎么办？路由器来了

• 路由器是一种网络层产品，基于IP寻址，采用路由表实现数据转发。
• 路由器主要用于连接不同局域网（可以是不同介质，如令牌网和以太网可以互通），实现广播域隔离，也可以用于远程通信（广域网连接）
• 广播域，指网络中的某一设备同时向网络中所有的其它设备发送数据，这个数据所能广播到的范围即为广播域。形象比喻，之前party大家玩不同游戏的进入了不同的房间（冲突域），这时候主人拿起麦克风说两句，感谢大家的到来，这时候每个房间都听得到，这个房子就是一个广播域。主人讲话只有屋子里的人听到，家在对面马路的marry可是听不见的，这就是广播域隔离。
• 路由器诞生是互联网大爆发的主要原因，跨介质跨地理的网络大融合称为现实。
• IP协议等逻辑寻址机制是实现不同类型局域网连通的关键，不同局域网的主机只要有配置逻辑地址（IP地址），有合理的逻辑地址规划（网段规划），则可以通信；

总结

参考资料
[1]《SDN从入门到精通》

1.中继器

 1.1 功能概述

  工作在物理层。当数据离开源在网络上传送时，它转换为能够沿着网络介质传输的电脉冲或光脉冲——这些脉冲称为信号（signal）。当信号沿着网络介质进行传送时， 随着经过的线缆越来越长，信号就会变得越来越弱，越来越差。中继器的目的是对网络信号进行再生和还原，从而使得它们能够在网络上传输更长的距离。
  简单来说，中继器就是两个端口，一个进一个出，把流入的网络信号进行放大、加强再流出，从而使它可以传输更远的距离。
    

2.集线器

 2.1 功能概述

  工作在物理层。集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD（一种检测协议）访问方式。可以这样理解，集线器就是多个端口的中继器。

 2.2 工作原理

    
  它发送数据时，是没有针对性的。采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点（因为它不认识路），而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。例如：当A要给B发数据时，它会采取广播方式，把要传递的消息广播给B、C、D、E$......$
  很容易想到，集线器这样会带来一个很大的坏处就是，广播爆炸和线路冲突。集线器对数据包的的处理大部分是简单的将数据包复制放大后，送到目前连接该集线器的所有端口，因此数据包充斥在整个连通的局域网中，同时仅有一组数据是有效的，所以在数据包传输量较大的居于网中，集线器将无法有效地传输数据，因为可能同时传送多份数据，从而造成数据包的冲突问题问题增加。

3.网桥

 3.1功能概述

  工作在数据链路层。网桥（Bridge）是早期的两端口数据链路层网络设备，用来连接不同网段的计算机网络设备同时它又可隔离冲突域。

  网桥将两个不同的局域网的网络连接起来，并对网络数据的流通进行管理。它工作于数据链路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。

 3.2工作原理

  也有人把“网桥”比喻成一个聪明的中继器（Repeater）。因为中继器只是对所接收的信号进行放大，然后直接发送到另一个端口连接的电缆上，主要用于扩展网络的物理连接范围；而网桥除了可以扩展网络的物理连接范围外，还可以对MAC 地址进行分区，不需要像集线器一样去广播（网桥可以根据MAC地址转发消息），同时隔离不同物理网段之间的碰撞（也就是隔离“冲突域”）。

  上图是用一个网桥连接的两个网络，网桥的A端口连接A子网，B端口连接B子网，为什么网桥知道哪些数据包该转发，哪些包不该转发呢？那是因为它有两个表A和B，当有数据包进入端口A时，网桥从数据包中提取出源MAC地址和目的MAC地址。

  一开始的时候，表A和表B都是空的，没有一条记录，这时，网桥会把数据包转发给B网络，并且在表A中增加一条MAC地址(把源MAC地址记录表中)，说明这个MAC地址的机器是A子网的，同理，当B子网发送数据包到B端口时，网桥也会记录源MAC地址到B表。

  当网桥工作一段时候后，表A基本上记录了A子网所有的机器的MAC地址，表B同理，当再有一个数据包从A子网发送给网桥时，网桥会先看看数据包的目的MAC地址是属于A子网还是B子网的，如果从A表中找到对应则，抛弃该包，如果不是，则转发给B子网，然后检查源MAC地址，是否在表中已经存在，如果不存在，在表A中增加一条记录。

4.交换机

 4.1功能概述

  工作在数据链路层。交换机（Switch）可以说同时是集线器和网桥的升级换代产品，因为交换机具有集线器一样的集中连接功能，同时它又具有网桥的数据交换功能。所以可以这样说，交换机是带有交换功能的集线器，或者说交换机是多端口的网桥。外形上，集线器与交换机产品没什么太大区别。
PS：下图为三层交换机图，就是比较大而已，

 4.2工作原理

• 当交换机从某个端口收到一个数据帧后，先读取帧头部的源MAC地址，并与自己缓存中的映射表（CAM 表）进行比较，如果没有找到，则在CAM表中添加一个该源MAC 地址与发送该帧的源端口映射表项。这就是交换机的MAC 地址自动学习功能。
• 如果在CAM表项查到了帧中源MAC地址，则继续查看是否有帧中目的MAC地址所对应的映射表项。如果有，则直接把该帧转发到目的MAC地址节点所连接的交换机端口，然后由该端口发送到目的主机。
• 如果在交换机CAM 表中没有找到帧中目的MAC地址所对应的表项，则把该数据帧向除源端口外的其他所有端口上进行泛洪（广播）。
• 当MAC地址与帧中目的MAC地址的主机接收了该数据帧后就会向源主机产生一个应答帧，交换机获取该应答帧后从其中的源MAC 地址中获取了对应的MAC地址和所连接端口的映射关系，并添加到CAM 表中。这样下次再有MAC地址为这个MAC 地址的帧发送时交换机就可以直接从CAM表中找到对应的转发端口，直接转发，不用再泛洪了。
  
  

5.路由器

  相比较上边的几个设备而言，要想理解路由器，需要对计算机网络有一定的基础。在Internet网络中，路由器是相对来说最重要的设备。在本文中，对路由器不再做详细解释，在计算机网络这一专栏中我会单独详解路由器这一设备。

 5.1功能概述

  工作在网络层。路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网（根据IP地址来判断是否在一个子网）。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。转发消息主要用的是IP地址。

 5.2工作原理

  例如，一台支持IP协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。当IP子网中的一台主机发送消息给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把消息送到网络上，对方就能收到。而要送给不同子网的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把消息送给该路由器，由路由器负责把消息送到目的地。网络中的设备用它们的网络地址（IP地址）互相通信。IP地址是与硬件地址无关的“逻辑”地址。目前TCP／IP网络，全部是通过路由器互连起来的，Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。
   一句话总结：路由器的主要工作就是为经过路由器的每个IP数据包寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。 路由器的基本功能是，把数据（IP报文）传送到正确的网络。

6.总结

  文章从最简单的中继器讲起，有浅及深（当然，这也是几个设备发展的过程），逐步探讨中继器、集线器、网桥、交换机、路由器的功能。这样一个层次，能使读者更清晰明白他们的不同与相同。
   文章如有不当之处，请多多指教~~

一、中继器

当传播距离过远的时候，信号是会衰减的。

又称为转发器。物理层设备。主要功能：对信号进行再生和还原，对衰减信号放大，延长传输距离。

中继器很傻，两边网段必须是一个协议，不会管数据是否出错，只会无脑加强信号转发。

一个口进，一个口出。出去之前加强信号

中继器和集线器都不能分割冲突域，即还是属于一个局域网内。

二、集线器

Hub。实质上是一个多端口的中继器，也是物理层设备。上面说了，中继器只有两个口，一进一出，但集线器可以有多个口。

集线器一般都是星型拓扑

注意，如果多台计算机同时通信，那么必将导致信息碰撞、平分带宽。

例如：一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，当这八台计算机同时工作时，每一台计算机真正拥有的带宽仅为10/8 = 1.25Mb/s

三、放大器

与中继器功能相仿，只不过放大器放大的是模拟信号，而中继器放大的是数字信号。

数字信号：用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电bai压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。

模拟信号：用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示

四、网桥

网桥是交换机的前身。现在大多数都是使用交换机而不是网桥了。

首先提出一个问题：如何进行局域网的扩展。
如果使用前面的集线器或者中继器，那么是不可以隔离冲突域的，如下图：

这样一个大的冲突域虽然达到了网络扩展，但是冲突域太大会导致碰撞几率增大，因此不推荐用集线器进行大规模的扩网。

这时人们就提出了网桥的概念，它的优势就是既可以扩网，又可以分割冲突域。

网桥比中继器和集线器就智能很多了，它会看看你的mac地址，通过你的mac地址来控制数据帧，进而隔离了冲突域，三个冲突域中可以同时进行介质访问了。

五、交换机

switch。数据链路层设备。一种多端口的网桥。通常有十几个端口。

这样可以快速大规模扩网，因此交换机逐渐取代了网桥。

交换机还有一大优点，每个端口独占传输媒体带宽。还记得我们在集线器那里讲过的吗？集线器是不行的。

交换机有两种：存储转发用的多一些，可靠性强。

看下图，请问有多少个冲突域，有多少个广播域？

答：1个广播域，4个冲突域。
广播域只有路由器或者三层交换机才能分隔，交换机分隔的是冲突域。这也就是说，其他冲突域的广播信号会在整个广播域网络中传递。

六、路由器

router。网络层设备。


转发表是根据路由表算出来的。
转发是指路由器内部，从哪个端口送出去。路由选择概念更宏观，强调的是下一跳路由器。已经到了本路由器外面。

输入端口：要把物理层、数据链路层的头去掉，上交到网络层处理，当然要排队。

输出端口：
如果队列的处理速度小于数据进入队列的速度，就会产生溢出，数据就只能被丢掉了，因此体现流量控制的必要性。

集线器两边物理协议一定要一样

转发表和路由表

七、网关

并不是一个具体的设备，它代表的是一种概念。顾名思义，“关”就是某一个地方的关卡，因此，网关就是指的一个局域网的关口。三层交换机和路由器都可以作为网关。网关可以用于局域网的互联。

当数据包想要进入或走出某一个局域网的时候，必然先通过网关才可以进去。在cmd命令行中输入ipconfig命令就可以查看你当前主机的默认网关。

曾经我做过一个实验，把我主机的arp缓存表中默认网关的mac地址改掉了。之后就上不了网了，这就是因为主机发送的数据包找不到默认网关，因此数据包走出局域网，也就无法发送到互联网上去。这更加印证了，网关就是一个局域网关口的说法。