计算机网络的各种设备的作用、原理以及对数据处理

计算机网络的各种设备的作用、原理以及对数据的处理

物理层

1.中继器

（1）作用

中继器的主要功能是整型、放大并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。

（2）原理

其原理是信号再生（而非简单地放大衰减信号）。

（3）数据处理

数据包在经过中继器时，并不会进行任何形式的解析或更改。中继器只处理物理信号，而不会查看帧的内容或识别MAC地址。因此，数据包只是作为电信号被放大并重新传输，中继器不会区分数据包的源或目的地址。

2.集线器

（1）作用

集线器用于将多台设备连接在同一局域网中，提供基本的信号放大和传输功能，让设备之间能够共享通信信道进行数据传输。集线器适合小型网络，成本低，但性能和效率较低。

（2）原理

集线器工作在物理层，当一台设备发送数据时，集线器会接收并放大信号，然后将信号广播到所有其他端口。这种无差别转发方式不具备任何数据识别或路由功能，因此所有连接的设备都会接收到相同的数据。

（3）数据处理

集线器收到数据包后，将其复制并广播到所有端口，无论目标设备是哪一个。由于没有选择性转发，数据包会被传输到所有设备，只有目标设备会处理数据包，其他设备会丢弃它。这种处理方式容易引发冲突，导致网络效率降低。

数据链路层

1.网桥

（1）作用

网桥的作用是将多个小型局域网连接在一起，形成一个更大的网络，并通过过滤和转发机制减少不必要的网络流量。它能有效分割冲突域，减少网络中的数据冲突，从而提升网络性能。

（2）原理

网桥使用MAC地址表（地址学习）来记录连接设备的MAC地址及其所属的网络段。当网桥接收到数据帧时，会检查帧的目的MAC地址，并查找MAC地址表。如果目标设备在不同的网络段，网桥会转发数据帧；如果目标设备在相同网络段，则网桥丢弃该数据帧，从而减少网络流量。（因为原站和目的站在同一个网段，目的站能够直接接收这个帧，不需要借助网桥转发）

（3）数据处理

数据包到达网桥后，网桥会读取数据帧的源和目的MAC地址，并更新MAC地址表。若数据包的目的MAC地址属于其他网络段，网桥将数据帧转发到该段；否则，网桥会丢弃该帧以避免不必要的广播。这种基于MAC地址的过滤和转发方式，帮助网桥减少网络冲突，提高局域网的传输效率。

2.交换机

（1）作用

实质上是一个多接口的网桥。交换机的作用是将连接的设备智能化地互联起来，使得数据可以在各个设备间高效传输。它能有效地划分冲突域，将数据定向发送给特定设备，减少了广播流量，从而提升整个局域网的性能、带宽利用率和安全性。

（2）原理

交换机通过“地址学习”构建并维护一个MAC地址表，记录设备的MAC地址和对应的端口。收到数据帧时，交换机会查询MAC地址表以确定目标设备所在的端口，从而将数据帧准确地转发至目标端口，避免了不必要的广播。若目标MAC地址不在表中，交换机会进行广播以寻找目标设备，并在获取响应后将其加入地址表。

（3）数据处理

当数据包进入交换机时，交换机会提取帧的源和目的MAC地址，并更新其MAC地址表。随后，交换机会查找目的MAC地址对应的端口，将数据帧发送至正确的端口，而非广播到所有端口。若目的MAC地址未知，交换机会暂时广播数据帧以查找目标设备，但在找到目标后会记录到地址表中，以优化后续传输。

网络层

路由器

（1）作用

路由器的主要作用是将不同网络中的数据包根据目标IP地址进行转发。它能根据网络拓扑和路由表选择最佳路径，确保数据能够跨越多个网络，并最终到达目的地。路由器还提供网络隔离、流量管理和安全性功能。

（2）原理

路由器通过查看数据包的目标IP地址来决定数据包的转发路径。它使用路由表来确定如何将数据包从源网络转发到目标网络。路由表包含了多个网络的路径信息，包括到达目标网络的下一跳设备或接口。当路由器接收到一个数据包时，会根据目标IP地址查找路由表，选择一个最佳路径，并将数据包发送到下一个设备，直到数据包到达目标。

（3）数据处理

接收数据包：路由器接收到一个数据包时，首先读取包头中的目标IP地址。

查找路由表：路由器根据目标IP地址在路由表中查找最合适的下一跳地址或接口。

转发数据包：路由器根据路由表的内容将数据包转发到对应的网络接口或下一跳设备，直到数据包到达目标网络。

路径选择：如果目标地址属于直接连接的网络，路由器会直接将数据包发送到目标设备；如果目标地址不在直接连接的网络中，路由器会将数据包发送到连接的下一个路由器，继续进行路径转发。

传输层以上层

网关

（1）作用

网关的主要作用是充当不同网络间的连接点，尤其是在使用不同协议、不同数据格式或不同网络技术的网络之间。它不仅转发数据包，还可能需要进行数据的解析、转换和封装。因此，网关可以在不同协议（如TCP/IP和IPX/SPX）之间进行转换，或将不同类型的流量（如电话、视频、数据）传输到适合的网络。

（2）原理

网关根据源网络和目标网络的协议类型，进行协议转换或数据格式转换。它工作在OSI模型的较高层级（通常是应用层或传输层），处理协议相关的转换任务。当数据包从源网络发送到目标网络时，网关首先接收数据包，然后根据需要将数据转换为目标网络可以理解的格式或协议。它可以修改数据包的协议头、进行数据编码转换，甚至改变数据的传输格式，以确保目标网络能够正确接收和理解数据。

（3）数据包处理

接收数据包：网关接收来自源网络的数据包，解析包头中的信息，并确定该数据包是否需要进行协议转换。

协议转换：如果源网络和目标网络使用不同的协议（如从TCP/IP网络到IPX/SPX网络），网关会根据目标网络的协议要求对数据进行转换和封装。

转发数据包：一旦数据包被转换，网关将其转发到目标网络，确保数据能够正确传输至目标设备。

多功能处理：在一些情况下，网关还可以执行如防火墙、路由、地址转换（NAT）等功能，为网络提供额外的安全性和管理功能。

不同层的设备的作用范围比较

1.物理层负责实现数据在物理介质上的传输

2.数据链路层的设备要用于同一个局域网中，并在一个网络内进行设备通信

路由器是用来连接不同网络并转发数据包的设备。

层级	物理层设备	数据链路层设备	网络层设备
功能	数据的物理传输（信号的发送和接收）	确保数据在局域网内可靠传输，错误检测和纠正	数据包的路由选择与转发，跨网络通信
作用范围	传输比特流，物理介质上的信号传输	在局域网中进行数据帧的转发，管理MAC地址	跨网络传输数据包，选择最佳路径
设备示例	网卡、集线器、中继器、调制解调器	交换机、网桥、数据链路层协议（如Ethernet）	路由器、网关