网络架构基石：Hub、Switch与Router详解与VXLAN深入-优快云博客

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本文概述了网络连接中的基本组件——集线器、交换机和路由器的功能差异，介绍了VXLAN在现代网络中的角色。通过实例和参数说明，探讨了二层和三层网络结构，以及MAC地址的作用。此外，文章还提到了数据中心专用交换机和路由器的选择与应用，以及VXLAN技术的详细解释。

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文章重点在于汇总网络架构的知识，包括讲述的文章、资源和个人的想法。

一. Hub , Switches, Router，集线器，交换机与路由器

一. Hub , Switches, Router，集线器，交换机与路由器

不论在数据中心还是在家庭当中，网络连接始终是不可避开的关键设施。电脑只要能够连接上交换器路由器就能够访问到互联网上的其他设备，就针对这一层的网络结构来做学习。

1. Hub—集线器:

知乎讲解：

集线器（Hub）是指将多条以太网双绞线或光纤集合连接在同一段物理介质下的设备；是一个多端口的转发器，当以HUB为中心设备时，网络中某条线路产生了故障，并不影响其它线路的工作。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。它工作于OSI参考模型第一层，即“ 物理层”，属于局域网中的基础设备，采用 CSMA/CD（即带冲突检测的载波监听多路访问技术)介质访问控制机制。集线器每个接口简单的收发比特，收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。HUB不具备交换机所具有的 MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。

将一个简单的集线器拆开，可以非常简单地认为它使用一块电路板接上了所有的网线；当其中任何一条网线传输电信号到集线器当中时，他就会将信号广播传输到其他的网线。

集线器并不会存储任何的路由信息或者是地址的映射，将他理解为只有电路板的信息传递都是完全合理的。

2. Switch—交换机

交换机是一种用于电信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。

交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。交换机还具备了一些新的功能，如对VLAN（虚拟局域网）的支持、对链路汇聚的支持，甚至有的还具有防火墙的功能。

上图是一个简单的交换机示意，它包含一个MAC地址的映射表，其实现功能的过程应该是：

当网线A传输进入信息到交换机时，交换机会解包读取数据，获取到该信息期望传输到的MAC地址，并在其电路板连接的网线当中寻找对应的MAC地址，直接传输。

Hub（集线器）和交换机对比：

Hub 集线器	Switch 交换机
只能探测到物理直连的设备	可以探测到特定的连接到他的设备
广播，无特定	保存MAC地址，特定信息传输

网络的二层架构：

集齐交换机和路由器，就可以实现简单的二层网络结构，各个主机通过交换机和路由器构成一个局域网，主机A想要找到主机B只需要传输信息到交换机，交换机通过存储的MAC表找到对应的主机完成数据传输。

目前数据中心或者是其他局域网的二层路由都是在这个基础拓扑的结构上衍生而来，以下为更加详细的介绍。

交换机二层的转发特性，符合802.1D网桥协议标准。
　　
　　交换机的二层转发 涉及到两个关键的线程：地址学习线程和报文转发线程。
　　学习线程如下：
　　1）交换机接收网段上的所有数据帧，利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表；
　　2）端口移动机制：交换机如果发现一个包文的入端口和报文中源MAC地址的所在端口不同，就产生端口移动，将MAC地址重新学习到新的端口；
　　3）地址老化机制：如果交换机在很长一段时间之内没有收到某台主机发出的报文，在该主机对应的MAC地址就会被删除，等下次报文来的时候会重新学习。
　　注意：老化也是根据源MAC地址 进行老化。
　　
　　报文转发线程:
　　1）交换机在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到，就将该数据帧发送到相应的端口，如果找不到，就向所有的端口发送；
　　2）如果交换机收到的报文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同，则丢弃该报文；
　　3）交换机向入端口以外的其它所有端口转发广播报文。

MAC地址介绍
　　MAC地址是48 bit二进制的地址，如：00-e0-fc-00-00-06。
　　可以分为单播地址、多播地址和广播地址。
　　单播地址：第一字节最低位为0，如：00-e0-fc-00-00-06
　　多播地址：第一字节最低位为1，如：01-e0-fc-00-00-06
　　广播地址：48位全1，如：ff-ff-ff-ff-ff-ff
　　注意：
　　1）普通设备网卡或者路由器设备路由接口的MAC地址一定是单播的MAC地址才能保证其与其它设备的互通。
　　2） MAC地址是一个以太网络设备在网络上运行的基础，也是链路层功能实现的立足点。

总的来说，集线器和交换机都是在一个物理位置上相邻的局域网内传输数据。

这个传输过程并不会涉及到这个网络区域以外的网络，如果想要到更加广阔的网络当中传输信息需要使用IP地址，也就是必须要一个设备能够读取IP地址，才能够扩大网络的连接范围。

不同的场景对于交换机的使用和要求也不相同，在数据中心当中对于交换机的性能和继承的功能要比这个基础简单的交换机要复杂的多，以下给出思科的交换机部分参数列表感受一下：

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3. Router—路由器

知乎讲解：

路由器（Router），又称路径器，是工作在IP层上，可以连接不同的网络，能够选择数据传送路径并对数据进行转发的网络设备，属于第三层转接设备。被连接的两个IP子网在物理上既可能是局域网，也可能是广域网，他们具有不同的IP网络号，不能直接通信，需经过路由器进行转接。多协议的路由器可以连接使用完全不同的网络层、数据链路层和物理协议层的网络。单位内部网络与互联网的连接、不同单位网络之间的连接、单位内部不同子网之间的连接都需要使用到路由器。

交换机连接到路由器上，使用IP地址将交换机所连接的主机都划分到一个网段当中。

当路由器接收到从大网络传输来的信息时，他会解析数据报文当中的地址，如果是这个交换机所在局域网划分的IP，那么他就会将数据传输到交换机，交换机再解析出IP对应的MAC地址，传输到对应的设备当中；相对的如果并不是这个路由器所在网络分段，他就会拒绝该报文并将他传输到其他的路由器。

网络内的通信只需要两层架构就可以完成，但是网络之间的架构就必须要通过三层架构，通过路由器来完成了。

三层转发示例图：

通过ping命令了解三层转发流程 - Peter·X - 博客园 (cnblogs.com)

这篇文章也讲得实际：三层转发基本原理 - 知乎 (zhihu.com)

1. IP协议
IP提供了不可靠，无连接的数据报传送服务；是网络地址的形式，划分出网络的分区。

它定义了在互联网上传输数据的具体通讯寻址的手段，IP实现两个基本功能：寻址及分片。
IP地址由网络号和主机号两部分组成，网络号标识互联网中的一个特定网络，主机号标识在该网络中的一台特定主机，最常用的地址表示方法是点分十进制法。如：192.168.10.1

2. ARP
ARP，即地址解析协议，实现通过IP地址到物理地址的映射。

在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址，而在TCP/IP协议栈中网络层和传输层只关心目标主机的IP地址
。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。