关于集线器、交换机和路由器

计算机网络中，操作系统以下的三层：物理层、数据链路层、网络层有非常重要的设备，它们的原理与区别需要掌握。如物理层的放大器、中继器、集线器，数据链路层的网卡、网桥、交换机，网络层的路由器。

扩展：应注意各种设备处理的对象是什么。中继器处理的对象是信号，因此是工作在物理层的设备。网桥处理的对象是帧，因此是工作在数据链路层的设备。

放大器

将模拟信号放大。

中继器

将数字信号整形并放大再转发出去（关键是整形而非放大），消除信号的失真和衰减问题，具有5-4-3规则。中继器连接的是两个网段，它们构成了一个子网。

5-4-3规则：采用粗同轴电缆的10BASE5以太网中，互相串联的中继器个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3个段可以挂接主机，其他只能用于扩展链路。

集线器

集线器本质上是一个多端口的中继器，将数字信号整形并放大再转发到除输入端以外的所有端口。如果同时有两个及以上的端口输入，则输出时会发生冲突。

扩展：有存储转发功能的设备两端可以连接不同的协议，而没有的只能是同一个协议，如物理层设备。该层设备均只有整形放大转发功能，为共享式设备，不能分割冲突域。而网桥实现了物理层和数据链路层的功能，因此它可以互联两个该层不同的网段。

网卡

网卡即网络适配器，装有处理器和存储器（RAM和ROM），ROM上有计算机硬件地址，是工作在数据链路层的网络组件。计算机与外界局域网的连接是通过网络适配器的。

全世界的网卡在出厂时有唯一的48位标志：介质访问控制（MAC）地址。通常写成12位的十六进制数，如07-16-76-00-02-86。

网桥

网桥工作在数据链路层的MAC子层，连接多个网段，构成一个更大的以太网。网桥接受网段1的数据帧，若目的地址是网段2则转发，若目的地址是网段1则丢弃。它从源网络接收数据帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧。网桥在不同类型的LAN之间工作时，需要进行协议的转换（存储转发类设备一般均可实现）。

网桥没有流量控制功能。

1、透明网桥（选择的不是最佳路由）

如果源地址与目的地址相同，则丢弃；如果不同，则转发；如果目的LAN不明确，则扩散。

透明网桥使用一种生成树算法，确保每个源地址到目的地址只有唯一路径，但一般不是最佳路由，也不能在不同网段中负载均衡。

2、源路由网桥（选择的是最佳路由）

路由选择由发送数据帧的源地址决定，该网桥对主机不透明。源地址以广播方式向目的地址发送一个发现帧，途中每个网桥均转发此帧，最终该发现帧以多条路径到达目的站。目的站依次做出应答帧，每个应答帧依原路返回，途经网桥将自己信息记录在应答帧里，源站选择出一个最佳路由。之后该源地址和目的地址的数据帧均携带这一路由信息。

扩展：IEEE802将数据链路层分为两个子层——

1、MAC（介质访问控制）子层，向上层屏蔽对物理层访问的各种差异，提供对物理层的统一访问接口。

2、LLC（逻辑链路控制）子层，向网络层提供无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送的连接服务类型。

交换机

交换机本质上是一个多端口的网桥，将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽。交换机在每段链路.上利用CSMA/CD收发帧，但无冲突，且可以全双工。

交换机检测从以太端口来的数据帧的源地址和目的地址的MAC地址，然后与系统内部动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在表中，则将该地址加入，并发送给相应端口。其中，查找表是利用自学习构造的，因此交换机即插即用。

1、直通式交换机

只检查目的地址，迅速转发到端口。

优点：速度快。

缺点：不支持速率不同的端口的交换。

2、存储转发交换机

先将接收到的帧缓存到高速缓存器，并检查数据是否正确，确认无误后根据查找表通过输出端口转发出去，有错则丢弃。

优点：可靠性高。

缺点：延迟大。

扩展：

自学习算法：若从站A发出的数据帧从某端口进入网桥，那么从该端口出发沿某方向一定能回到源地址。因此，网桥每收到一个帧，就将该帧的源地址和输入端口号记录在查找表中，作为后续查找的目的地址和端口号。

补充：（1）存储转发是交换机将一个数据包全部接收下来再转发出去，这种方式的好处就是可以判断一个数据包的完整性和正确性，隔离被破坏的数据包在网 上继续流动。但因为是将数据包接收下来再传输，交换的速度比较慢；
（2）直通转发是交换机在得到数据包的目的IP地址后就转发，这种方式的优点是转发速度较快，但不对转发的包进行完整性判断，会导致一些数据包碎片在网上传输；
（3）无碎片直通转发是交换机在得到数据包的前64个字节后就转发，对于小于64个字节的数据包认为是碎片，不进行转发，这种方式的既避免了存储转发速度慢的问题，又避免了直通转发有碎片的问题。

路由器

路由器是一种具有多个输入输出端口的专用计算机，连接不同网络并进行路由转发。多个广播域必须通过路由器互联。路由器可以连接不同的LAN，不同的VLAN，不同的WAN，或者将LAN和WAN连接起来。

标准的路由表具有四个项目：目的网络IP地址，子网掩码，下一跳IP地址，接口。

扩展：转发和路由选择的区别——

转发：路由器根据转发表把收到的IP数据报从合适的端口转发出去，它仅涉及一个路由器。可以由软件实现，也可以由特殊硬件实现。

路由选择：很多路由器协同工作的结果，按照复杂的路由算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由，由此构造出整个路由表。总是由软件来实现。

上图来自哈工大PPT，侵删。

网关

网关又称网间连接器、协议转换器。在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。结构和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层——应用层。

在OSI中，网关有两种：一种是面向连接的网关，一种是无连接的网关。当两个子网之间有一定距离时，往往将一个网关分成两半，中间用一条链路连接起来，我们称之为半网关。按照不同的分类标准，网关也有不同种类。TCP/IP协议里的网关是最常用的。