网络通信学习（三）——从网线到网络设备，探索集线器、交换机、路由器

几个名词的百度百科解释：

集线器

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。集线器是运作在OSI（开放系统互联参考模型）模型中的物理层。它可以视作多端口的中继器，若它侦测到碰撞，它会提交阻塞信号。
集线器通常会附上BNC and/or AUI转接头来连接传统10BASE2或10BASE5网络。
由于集线器会把收到的任何数字信号，经过再生或放大，再从集线器的所有端口提交，这会造成信号之间碰撞的机会很大，而且信号也可能被窃听，并且这代表所有连到集线器的设备，都是属于同一个碰撞域名以及广播域名，因此大部份集线器已被交换机取代。

交换机

交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）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。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。

路由器

路由器（Router），是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。 路由器是互联网络的枢纽，“交通警察”。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。
路由器（Router）又称网关设备（Gateway）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。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP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。

在这一部分探索之前，我们先要实现将网络包转换成电信号通过网线传出去这一过程，现在我们要探索通过网线传输出去的包是如何经过集线器、交换机和路由器等网络设备最终进入互联网的。

首先，在网络包的转发过程中，转发设备是看不到数据的，无论包里面是装的应用程序的数据还是TCP协议的控制信息，都不会对包的传输操作本身产生影响。因此，所有的包在传输到目的地的过程中都是独立的，相互之间没有任何关联！
在网络包的传输过程中，防止网线中的信号衰减很重要。信号在网线中传输时能量会逐渐损失，网线越长，信号衰减越严重。
这时我们用双绞线来抑制噪声，“双绞”的意思是以两根信号线为一组缠绕在一起，像拧麻花一样。原理是：在因绞合形成的同一根信号线的相邻两段信号线中产生的噪声电流方向相反，从而相互抵消。

集线器将信号发往所有连接在它上面的线路。当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。以太网的基本架构就是将包发送到所有的设备，然后接收设备根据接收方的MAC地址来判断应该接收哪些包，而集线器就是这一架构的忠实体现。信号通过接口进入集线器后，到达集线器的PHY（MAU）模块，之后进入中继电路将信号广播到集线器所有的端口上，到达连接在集线器上的所有设备。这样，通过识别网络包就能够到达指定MAC地址的接收方了。

集线器用途百度：

依据IEEE 802．3协议，集线器功能是随机选出某一端口的设备，并让它独占全部带宽，与集线器的上联设备(交换机、路由器或服务器等)进行通信。由此可以看出，集线器在工作时具有以下两个特点。 [2]
首先是Hub只是一个多端口的信号放大设备，工作中当一个端口接收到数据信号时，由于信号在从源端口到Hub的传输过程中已有了衰减，所以Hub便将该信号进行整形放大，使被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态，紧接着转发到其他所有处于工作状态的端口上。从Hub的工作方式可以看出，它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力，是—个标准的共享式设备。因此有人称集线器为“傻Hub”或“哑Hub”。 [2]
不过，随着技术的发展和需求的变化，许多Hub在功能上进行了拓宽，不再受这种工作机制的影响。由Hub组成的网络是共享式网络，同时Hub也只能够在半双工下工作。 [2]
Hub主要用于共享网络的组建，是解决从服务器直接到桌面最经济的方案。在交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面。使用Hub组网灵活，它处于网络的一个星型结点，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。 [2]

交换机根据地址表将网络包进行转发。首先我们要明白，交换机端口的MAC模块是不具有MAC地址的。信号通过接口进入交换机，由PHY（MAU）模块接收并将信号转换为通用格式传递给MAC模块，MAC模块将信号转换为数字信息，通过包末尾的FCS校验错误，如果没问题则存放到缓冲区，接下来需要查询包的接收方MAC地址，查表后将包发送到对应的端口最后发送到网线中。由于信号不是发送到所有端口上，端口处于空闲状态时可以传输其他的包，因此交换机可以同时转发多个包。MAC地址表每隔几分钟就会进行维护，这是为了防止终端设备移动产生问题。有种特殊情况，当交换机发现一个包要发回原端口时会直接丢弃这个包，防止接收方同时收到来自集线器和交换机的两个相同的包。交换机的全双工模式可以同时发送和接收信号，连接双方自动协商确定最优传输速率，全双工模式不用进行碰撞检测。比较来看，交换机的整体转发能力要高于集线器。

交换机用途百度：

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。 [2]

网络包经过集线器和交换机后到达路由器，并且进一步转发到下一个路由器，最后到达目的地的。

下面我们学习路由器的包转发操作，路由器包括两个模块：转发模块和端口模块，转发模块负责判断包转发的目的地，端口模块负责包的收发操作，相当于协议栈的IP模块和网卡之间的关系。路由器的硬件端口按照规范（比如以太网规范）将包接收，转发模块根据包的IP头部记录的接收方IP地址查表得到下一个目标IP地址，判断包的转发目标并发送出去。需要注意的是，路由器的每个端口都具有MAC地址和IP地址。和交换机是基于以太网设计的不同，路由器是基于IP设计的。交换机是通过MAC头部中的接收方MAC地址来判断转发目标，而路由器是根据IP头部中的IP地址来判断的。路由器根据包中的IP和子网掩码会忽略主机号，只匹配网络号，打个比方就是路由器在转发包时只看接收方地址属于哪个区，中南大学就发岳麓区，长沙火车站就发天心区，并不会具体到主机，路由表也会定期维护。
具体看看路由器的收发操作。信号通过接口进入后，PHY（MAU）和MAC模块会将信号转换为数字信息，通过包末尾的FCS进行错误校验，没问题则放到缓冲区，MAC地址不是自己的则丢包。当包到达路由器后，包的MAC头部任务完成，MAC头部被丢弃。接下来，路由器根据MAC后的IP头部内容进行包的转发操作。转发分为几个阶段：首先查路由表判断转发目标，如果找不到匹配记录则丢包发送ICMP消息告知发送方，路由表中的子网掩码0.0.0.0的记录为默认路由，无论任何地址都能匹配到这条记录，这样就不会发生不知道要转发到哪里的问题了。网络包每经过一个路由器的转发，IP头部的TTL（包的生存时间）就会减1，变为0时丢弃，这个机制防止了包在一个地方陷入死循环。最后是把包发送出去，查表得到目标IP地址，通过ARP（根据IP地址查询ＭＡＣ地址的协议）查询ＭＡＣ地址，重新为包添加ＭＡＣ头部，转发给下一个路由器或者目的地。

路由器作用百度

• 连通不同的网络
  从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在网络数据链路层，从物理上划分网段的交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。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。对于每一个接收到的数据包，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理地址的交换机慢。但是，对于那些结构复杂的网络，使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。总体上说，在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。
• 信息传输
  有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧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。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据－－路径表（Routing Table），供路由选择时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的。
  静态路由表：由系统管理员事先设置好固定的路径表称之为静态（static）路径表。
  动态路由表：动态（Dynamic）路径表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路径表。
  路由器是一种多端口设备，它可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议。路由器属于O S I 模型的第三层–网络层。指导从一个网段到另一个网段的数据传输，也能指导从一种网络向另一种网络的数据传输。
  第一，网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互连局域网和广域网，实现不同网络互相通信；
  第二，数据处理：提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能；
  第三，网络管理：路由器提供包括路由器配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。
  所谓“路由”，是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作，而路由器，正是执行这种行为动作的机器，它的英文名称为Router,是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络。
  为了完成“路由”的工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据－－路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。在路由器中涉及到两个有关地址的名字概念，那就是：静态路由表和动态路由表。由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态（static）路由表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。