《网络是怎么样连贯的》读书笔记 – 集线器、路由器和路由器（三）
本章重点
- 信号如何在网线和集线器中传输？如何克制信号传输中的失真状况？
- 交换机的作用和工作形式是什么？
- 路由器包转发的细节，以及和交换机的区别。
- 路由器额定性能理解，不仅仅是接入互联网的媒介，还蕴含许多其余性能。
- 理解集线器、路由器、交换机在 OSI 模型（TCP/IP 模型）的地位。
集线器和网线信号传输
如果理解 [[《网络是怎么样连贯的》读书笔记 – ADSL]] 和[[《网络是怎么样连贯的》读书笔记 – FTTH]]两个局部的内容，应该分明网络包在传输的过程中最终转化为电信号或者光信号传输，咱们通常所说的 TCP 协定、IP 协定、以太网等等实际上都曾经被“屏蔽”的。
最终包的传输只是一个转发设施到另一个转发设施信号传输，所有的网络包都相当于一个独立的快递个别进行传输。
这个传输过程波及到本章的三个最重要的内容，也就是集线器，交换机，路由器，整个传输的过程和上面的内容相似：
避免信号衰减
所谓的以太网信号实际上能够看作是正负变动的电压，网卡的 PHY 模块负责实现正负电子信号电路输入。
信号传输的根本性的问题是网线越长，信号衰减和损耗越重大。因为以太网是应用方波信号传输，高频信号容易失落，这样容易导致信号的失真，另外线路噪声条件无论好坏都有可能导致信号失真，所以问题很显然是在传输资料上。
互联网最早应用的是 双绞线，所谓双绞线是最晚期的 ADSL 的接入互联网而应用的电话线和网线混合的模式诞生的一种非凡设计模式。
而最早的以太网应用专用同轴网线，起初变成由美国室内电 话线改进的版本，起因是它能够兼容电话线的布线工具和资料，比拟不便。
想要双绞线如何防止信号失真和噪声问题，咱们须要理解噪声是怎么来的，这里须要介绍一点物理常识：
信号噪声来自于网线四周的电磁波，影响网线信号传输的电磁波次要有两种，第一种是液晶显示设施透露的电磁波，第二种是相邻的网线产生的电磁串扰，信号传输依附的是电流，电流在通过网线四周四周就会产生电磁波，网线之间的电磁波烦扰被称为 串扰。
要解决下面两种电磁波的问题，通常有上面的形式：
- 第一种通过双绞的形式让电流通过不同的形式以螺旋的形式传输，其中两根信号线中产生的噪声电流方向就会 相同，这时候信号仍然能够失常传输，然而噪声失去了管制。
- 第二种电磁串扰问题能够通过绕线的形式来解决，因为绞线之间自身就有非常法则的间隙，正反信号之间的间隔通过缠绕的形式进行对消，所以哪怕相邻只有相互缠绕形式正确就能够让噪声进行对消。
所以网线螺旋缠绕形式自身是有考究的，既能够解决电流自身掠过其余电磁波设施产生的噪声，又能够避免不同网线穿插的电流产生的电磁波噪声。
集线器工作
信号传递到整个网络之后将会播送到整个网络，在第一章“以太网 MAC 头部”当中介绍了 MAC 地址中蕴含了接管方的“收货地址”，集线器负责以太网架构中对于信号进行播送的角色。实际上能够设想是接管一端网卡传递的电信号，而后通过网线传递给另一端。
咱们能够察看集线器的设计，PHY 模块的性能根本是雷同的，留神这里的接线办法是穿插连线的，应用间接连贯的形式是无奈接管信号的。
如果集线器不想和某个网卡通信则须要一个两头媒介实现切换的动作。
RJ45 接口：通常用于数据传输，最常见的利用为网卡接口。RJ45 是各种不同接头的一种类型；RJ45 头依据线的排序不同的法有两种，一种是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕；另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕；因而应用 RJ45 接头的线也有两种即：直通线、穿插线。
为了让不同的接口实现“接入”和“敞开”的操作，须要依赖 MDI/MDI-X 切换开关，如果存在这个开关的则能够切换 MDI/MDI-X 模式，集线器间接的连贯能够都改为 MDI 模式（也就是直连模式）。
然而如果须要和其余计算机的网卡交互，须要切换为 MDI-X 模式进行交互，另外留神不是所有的集线器都有切换开关，所以如果某个集线器只有 MDI-X 接口，也能够通过默认的 MDI- X 接口实现穿插交互。
这里可能有点难以了解，所以换一种解释：咱们晓得电流是从正极流向负极，所以在集线器和两个计算机的网卡交互的时候是须要进行“发送端”和“接收端”的正反穿插连贯。
而集线器的设计因为是“平行设施”，可能存在只反对正反信号交互或者间接连贯的形式实现交互，所以须要模式的切换开关进行兼容，然而如果集线器只有正反信号的交互接口，则间接通过穿插交互连贯的形式实现信号交换。
当初咱们再看看另一端接管内容拼接成一个残缺的结构图，和前文所说的一样在网卡的这一端。
为什么有直连和穿插线？
上面的局部是书中没有介绍的内容，集体存在疑难为什么集线器要弄出 MDI/MDI-X 直连和穿插的模式，尽管晓得了他的作用，然而不分明历史由来。
为了具体解释，首先说一下什么是直连线，什么是穿插线。
- 直连线：网线两端都是按 T568A 或者 T568B 排序。
- 穿插线：一端是按 T568A 排序，一端是按 T568B 排序。
这里找了一张网上的图比照两种不同的接线办法在网线上的不同接入形式：
直连和穿插接线的区别
实际上没有本质区别，只是不同的网线适应不同的场景而已。具体的应用场景能够看下面截图的内容，这里简略举例说明。
直连线用于两种不同的设施之间：
- 主机和集线器或者交换机连贯。
- 路由器交换机和集线器。
- 交换机应用的端口不同。
穿插线应用同类型设施，这里只有记住穿插线实用于雷同类型的设施。
这里记住一条规定：同种设施用穿插，不同设施用直连。
然而随着技术的倒退和迭代古代设施对于网线接口的依赖其实并不是特地强，同种设施应用直连线也是能够兼容的，所以下面的这条规定只能作为一个参考。
交换机信号传输
交换机通常属于 OSI 模型的第二层（数据链路层），交换机的工作依赖于对 MAC 地址的辨认。
交换机 设计是将网络包原样转发到目的地，目标是为了实现远距离的网络包传输而不让数据失真。
因为须要替换数据，替换的接口和 PHY（MAU）模块也是以 MDI-X 模式进行连贯的，当网络包进入接口之后首先是把信号翻译为交换机通用格局，接着是应用 MAC 模块局部对于网络包进行解析，并且应用包开端的 FCS 校验谬误。
交换机看似和网卡的工作相似实际上有着相似的作用，通过查问 MAC 地址以及端口查找对应的指标地址，而后转发到下一个离指标地点更近的地址。
交换机的端口不核查接管方 MAC 地址，而是间接接管所有的包并存放到缓冲区中，而之前章节提到过网卡在生产进去的之后自身就 自带惟一的 MAC 地址 并且收发信息都须要核查 MAC 地址。
显然网卡和交换机还是有不小差异的，因为 交换机端口的 MAC 模块不具备 MAC 地址。
上面的内容是对于交换机工作较为具体解释，整个工作简而言之：交换机依据 MAC 地址表查找 MAC 地址，而后将信号发送到相应的端口。：
当交换机从其某个端口收到一个数据包时，先读取包头中的源 MAC 地址（即发送该数据包的设施网卡的 MAC 地址），将该 MAC 地址和端口对应起来增加到交换机内存里的地址表中；而后再读取包头中的目标 MAC 地址，对照内存里的地址表看该 MAC 地址与哪个端口对应。
如果地址表中有该 MAC 地址的对应端口，则将该数据包间接复制到对应的端口上，如果没有找到则将该数据帧作为一个播送帧发送到所有的端口，对应的 MAC 地址设施会主动接管该帧数据，同时交换机将接管该帧数据的端口与这个目标 MAC 地址对应起来，最初放入内存中的地址表中。
疾速了解交换机的特点：具备大部分网卡个性的以太网数据传输设施。
这里回顾之前章节介绍的 FCS 内容。
FCS：查看包传输过程中因噪声导致的波形错乱、数据谬误，它是一串 32 比特的序列，是通过一个公式对包中从头到尾 的所有内容进行计算而得进去的。具体能够参考网络包的构造示意图。
交换机内部结构
MAC 地址保护
交换机根本工作是查找核查 MAC 地址以及保护 MAC 地址表的工作，MAC 地址的保护次要有上面两个细节：
- 发送方 MAC 地址以及其输出端口的号码写入 MAC 地址表中。MAC 地址表的数据十分宏大然而端口的数量无限，为了疾速的查找和治理，只有某个设施发送过网络包，它的 MAC 地址就会被记录到地址表中，这种构造和缓存相似。
- MAC 地址表通常是“实时更新”的，目标是为了避免设施挪动问题。因为古代挪动设施会频繁的切换网络环境和端口状态，交换机为了适应发送方频繁“变更”端口须要及时删除地址表的映射记录。
另外须要补充阐明和大多数的缓存特色雷同，MAC 地址的删除不是实时的，所以有时候数据包可能会发给之前的，然而这种事件通常不须要放心也比拟常见，通常重启交换机并且刷新掉 MAC 地址和端口映射即可，替换机会自行更新或删除地址表中的记录，不须要手动保护。
交换机非凡解决
上面介绍交换机的几种非凡状况。
第一种是如果发现网络包的发送方和指标地址是同一个映射端口，这种状况下指标机器会收到两个反复的包导致无奈通信，所以这种网络包交换机收到之后间接抛弃。
另一种状况地址表中找不到指定的 MAC 地址，这种状况可能是指标地址素来没有在互联网中进行过交互，或者是设施长时间不工作地址被交换机删除。
这种状况下替换机会应用播送发给所有的网络设备直到找到应答方，一旦接管到应答就会存储下 MAC 地址和映射端口，这种设计自身也和以太网最后的设计思考统一。
最初一种是如果接管方 MAC 地址是一个 播送地址，那么替换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。
全双工协定
全双工协定存在于交换机当中，集线器不具备这样的特点，集线器因为多个信号传入会导致信号碰撞是半双工协定的。
交换机是全双工协定的，所以在传输过程中不论有没有网络包交换机也能够本人进行数据的收发操作。在全双工的模式下信号碰撞不会产生，因而这种模式下也不须要碰撞检测。
全双工协定呈现的晚期须要人为的手工切换，当然随着技术倒退起初呈现了工作模式的主动切换。
另外在晚期为了保障通信失常，在以太网的架构如果没有信号传输，会默认填充脉冲信号在网络中一直流过，为了兼容新老设施的传输速率，脉冲信号的传输会应用“木桶效应”的短板主动兼容实现全双工协定的脉冲信号传输。
最初因为交换机反对全双工的协定，当端口不须要传输数据的时候能够实现多个端口的转发操作，对于交换机的更多内容能够查阅材料理解。
路由器信号传输
数据由交换机发送进去之后，信号会传输到路由器。
路由器是基于 IP 设计的，而交换机是基于以太网设计的，尽管看上去工作是相似的查表判断包应该发往那里，然而因为设计初衷的不同，所以还是存在很大的差异。
路由器的内部结构重点关注 转发模块 和端口模块，其中转发模块负责判断包的转发目的地，端口模块负责包的收发操作，有点相似协定栈的 IP 模块和网卡之间的关系。
路由器反对多种协定，只有端口模块装置了相干协定就能够反对信号传输，通过不同的端口实现不同协定的工作，路由器的各个端口都具备 MAC 地址和 IP 地址。
以太网端口为例，路由器的端口具备 MAC 地址，因而它就可能成为以太网的发送方和接管方，此外端口还具备 IP 地址，所以他能够充当网卡应用。
路由表的信息
在路由器中的表信息被叫做路由表，查表判断转发指标的基本思路和交换机是相似的，然而工作形式不太一样。
次要的区别能够从路由表的设计上进行比照，这里须要再次用上子网掩码的相干常识，首先这里能够看到指标地址存储的主机号局部为 0，所以这里显著存储的是指标 IP 的子网。
路由器会疏忽主机号，只匹配网络号，只有接管到的 IP 网络号统一，则能够认为是合乎同一个方向传递来的数据。
为了进步路由器中路由表的地址管理效率，有时候指标地址理论子网掩码和子网掩码并不是齐全匹配的，这里能够类比 DNS 对于 IP 地址的保护。
路由器在保护指标地址和子网掩码的时候，路由聚合会将几个子 网合并成一个子网，并在路由表中只产生一条记录，比方 10.10.1.0/24、10.10.2.0/24、10.10.3.0/24 这三个地址尽管不属于同一个子网，然而能够通过 10.10.0.0/16（留神网络号变动为 16 位）这样的模式相似对于掩码进行二次掩码匹配的操作。
所以路由表的子网掩码列只示意在匹配网络包指标地址时须要比照的比特数量，利用路由聚合能够缩小不必要的查表和进步路由效率。
最初是路由表信息的保护工作，次要形式是上面两种：
- 由人手动保护路由记录。
- 依据路由协定机制，通过路由器之间的信息替换由路由器自行维 护路由表的记录。
路由器包收发操作
信号传输到接口局部，接口的 PHY 模块和 MAC 模块把信号进行转化翻译，开端同样须要校验 FCS。
接着再查看 MAC 地址，路由器的端口同样都具备 MAC 地址，只接管与本身地址匹配的包，遇到不匹配的包则间接抛弃。其中的接管方 MAC 地址就是路由器端口 的 MAC 地址。
这里比拟容易误会的是接管方的地址可能被认为主机的地址，其实是 路由器的接管端口的 MAC 地址，因为网络包是发给路由器的，再由路由器查表发给具体的主机。
路由表查表操作
路由表的查表规定是依照匹配的最长网络号比非凡进行匹配，因为网络号越多证实子网掩码的范畴越小子网所笼罩的主机也越少，越有可能找到对应的主机地址。这样的匹配规定也被叫做 最长匹配规定。
对于服务器这种通常具备固定公网 IP 的设施在路由表上会有诸如 192.168.1.10/255.255.255.255 的表现形式，这样的 IP 在查找的时候能够依照最长匹规定进行匹配。
留神如果在路由表中无奈找到匹配的记录，路由器会抛弃这个包，并通过 ICMP 音讯告知发送方。为什么会间接抛弃包呢？这是因为互联网多设施切实是过于宏大数量过多，查问代价是难以估计的。
默认路由抉择
所有的转发操作都要匹配路由表显然是不事实的，所以在路由器中默认配置了 0.0.0.0 让任何地址都能够进行匹配到，另外这一行配置也被叫做 默认网关。
在计算机的 TCP/IP 设置窗口中也有一个填写默认网关的框，示意计算机上 也有一张和路由器一样的路由表，其中默认网关的地址就是咱们在设置窗口中填写的地址。
在 IPV4 中，0.0.0.0 地址被用于示意一个有效的，未知的或者不可用的指标。
- 在服务器中，0.0.0.0 示意是本机上的所有 IPV4 地址，如果一个主机有两个 IP 地址，比方 192.168.1.1 和 10.1.2.1，并且该主机上的一个服务监听的地址是 0.0.0.0, 那么通过两个 ip 地址都可能拜访该服务。
- 在路由中，0.0.0.0 示意的是默认路由，即当路由表中没有找到齐全匹配的路由的时候所对应的路由。
0.0.0.0 的主要用途：
- DHCP 调配前示意本机。
- 用做默认路由示意任意主机。
- 用做服务端示意本机的任意 IPV4 地址。
- 示意指标机器不可用
路由器和交换机的 差异
最初咱们来看路由器和交换机的差异
- 交换机通过 MAC 头部接管方 MAC 地址判断转发指标，路由器则通过 IP 模块判断 IP 地址来确定转发指标。
- 交换机在地址 表中只匹配完全一致的记录，而路由器则会疏忽主机号局部，只匹配网络号局部。
包的有效期
路由器发送网络包之前，还有一些工作要做：更新 IP 头部的 TTL 字段，TTL 指的是包的有效期，如果这个值为 0 示意转发，比方发送方在发送包时会将 TTL 设为 64 或 128，也就是说包通过这么多 路由器后就会“死于非命”。这个机制的作用是避免包有限转发而设计的。
分片性能拆分大网络包
这里的分片和 TCP 拆分数据是不同的，TCP 拆分数据的操作是在将数据装到包里之 前进行的，换句话说拆分好的一个数据块正好装进一个包里。而 IP 分片是把合成的一个包再一次进行分片的操作。
决定 IP 模块是否分片次要限度是 MTU 参数以及输入端口反对的 MTU 大小，如果输入端口太小就须要依照限度的大小对于包进分片，如果查问标记字段发现不能分片，那么就只能抛弃这个包，并通过 ICMP 音讯告诉发送方。
须要留神分片之后每一份数据后面会加上 IP 头部，大部分状况下增加头部都是类似的，只是 = 其中有局部字段须要更新，这些字段用于记录分 片相干的信息。
路由器的发送操作
路由器判断下一个转发指标的办法如下：
- 如果路由表的网关列内容为 IP 地址，则该地址就是下一个转发指标。
- 路由器应用 ARP 来查问下一个转发指标的 MAC 地址。
- 如果路由表的网关列内容为空，则 IP 头部中的接管方 IP 地址就是下一个转发指标。
这几个步骤详细描述，能够取得上面的过程：
- 首先判断 MAC 地址，取出 MAC 头部判断路由表的网关，如果网关为空，则 IP 头部中的接管 方 IP 地址就是要转发到的指标地址。
- ARP 播送协定依据 IP 找到对方 MAC 地址，并且存储未接管方 MAC 地址。
- 填写输入端发送方 MAC 地址字段，这里填写输入端口的 MAC 地址还有一个以太类型字段，填写 0080（十六进制）。
- 把网络包转为电信号传输，如果信号碰撞则进行重发，如果非全双工模式则期待线路没有信号进行传输，否则无需确认是否有其余信号间接传输。
- 发送的包通过交换机传给下一个路由器，而后路由器依据规定层层转发达到目的地。
整个过程有点相似古代快递的传输，由一个站点找到下一个站点，最初达到目标地址。交换机的作用也非常明显，他和路由器属于分工合作，IP（路由器）负责将包发送给通信对象这一整体过程，而其中将包传输到下一个路由器的过程则是由以太网（交换机）来负责的。
路由器在这里是方向盘的角色，而交换机更像是开车的人。
路由器其余性能
IP 地址的长度为 32 个 bit，所以很多状况下不同局域网的用户可能有雷同的 I P。为了解决雷同 IP 在互联网中“共存”问题，须要采纳固定地址的调配形式辨别内外网。
通常咱们把给公司外部应用的网络叫做公有地址，而固定提供对外拜访的地址叫做固定地址。私有地址和公有地址的区别是公有地址在拜访互联网的时候会进行转化并且只能在内网中进行间接通信，而这个转化机制比拟要害，
地址转化
地址转换的基本原理是在转发网络包时对 IP 头部中的 IP 地址和端口号 进行改写。具体能够看看上面的例子，在对外只能应用一个私有地址的状况下，能够用不同的端口号来区别内网中的 不同终端。
地址转换设施会从地址对应表中通过私有地址和端口号找到 绝对应的公有地址和端口号，依据对应表查找公有地址 和私有地址的对应关系之后，再改写地址和端口号之后进行转发。
地址转化从外表上看同样相似委托操作，接管方的通信对象实际上是和地址转化设施实现。
改写端口号
改写端口号的意义是为了让一个公网地址能够对应更多的公有地址，对于一个大公司来说一个公网地址几万个端口以及是能够反对应用的。
此外如果是内网地址的通信在地址转化设施表中不存在也能够失常通信，因为转发设施自身的地址就是被用来改写的公网地址。
路由器包过滤
最初路由包的过滤，根本是是通过 IP 模块，MAC 模块和 TCP 模块配合校验一个网络包申请是否非法。
包过滤的意义当然是为了保障网络安全，避免互联网伪造网络包进入内容毁坏内网的零碎利用。
当网络包通过互联网接入路由器之后，接下来的局部就是 ADS L 或者 FTTH 的工作了，这部分内容次要为运营商的内容。
其余内容
集线器（repeater hub) 交换机（switching hub）虽 然名字差不多但内部结构齐全不同，路由器晚期效率实际上不如交换机，然而如果管路由器叫做 hub 显然会让用户认为价格低廉并且难以接管，然而如果跟客户说接上网线就能够上网，状况就会变得不一样。
另外交换机的在起初的历史倒退中倒退出二层交换机，咱们在小结中进行展现。从字面了解小型便宜的普及型产品个别叫交换机，大型的高性能产品个别叫二层交换机。
小结
上面是总结集线器、交换机和路由器别离是什么，接着是补充一部分交换机后续倒退的内容。
集线器
集线器（即 HUB，物理层设施）是一种将多条双绞线或光纤汇合连贯在同一段物理介质下的设施，通常工作在物理层（即 OSI 参考模型第一层），用于连贯局域网段。
集线器领有多个端口，当其中一个端口接管到信号后，会将衰减的信号整形放大，而后再将放大的信号播送转发给其余所有端口，以便局域网的所有段都能够看到数据包。在网络中，集线器充当着设施的公共连接点。
在 OSI 参考模型的底部。罕用设施还包含网卡、集线器、中继器、调制解调器、网线、双绞线、同轴电缆。
交换机
交换机是一种用于光 / 电信号转发的网络设备，通常工作在 数据链路层或网络层（即 OSI 参考模型的第二层和第三层），反对各种数据包协定。目前交换机类型繁多，如局域网交换机、以太网交换机等。
其中局域网交换机次要用于交换式局域网内进行数据交换，而以太网交换机次要用于以太网内进行数据传输。
在网络中交换机是用于局域网段之间过滤和转发数据包的设施。
路由器
路由器是连贯 Internet 中各局域网、广域网的设施，通常位于两个或者多个网络连接的网关处，工作在 网络层，用于实现两个局域网或两个广域网或一个局域网和互联网服务提供商之间的网络连接。
在路由器中通常存着一张路由表，它会依据信道的状况主动抉择和设定路由，而后以最佳门路发送信号。另外，路由器反对 Internet 管制报文协定（即 ICMP）等相似协定，可帮忙 IP 主机、路由器之间传递管制音讯，为任意两台主机之间配置最佳路由。
二层和三层交换机
二层交换机通常用于连贯以太网中的网络设备和客户端设施，以辨认与转发数据包中的 MAC 地址。但随着网络应用程序多样性的减少以及交融网络应用的倒退，三层交换机的利用在数据中心，简单的企业网络，商业利用乃至高级客户我的项目中蓬勃发展。
二层交换机工作于 OSI 模型的二层 (数据链路层)，故而称为二层交换机，次要性能包含物理编址、谬误校验、帧序列以及流控。而三层交换机位于三层（网络层），是一个 具备三层替换性能的设施，即带有三层路由性能的二层交换机，但它是二者的有机联合，并不是简略地把路由器设施的硬件及软件叠加在局域网交换机上。
二层和三层交换机的区别
二层和三层交换机之间的次要区别在于是否领有路由性能。
二层交换机：属数据链路层设施，能够辨认数据包中的 MAC 地址信息，依据 MAC 地址进行转发，并将这些 MAC 地址与对应的端口记录在本人外部的一个地址表中。
三层交换机：就是具备 局部路由器性能的替换 机，工作在 OSI 网络规范模型的三层：网络层，目标是放慢大型局域网外部的数据交换，所具备的路由性能也是为这目标服务的，可能做到一次路由，屡次转发。此外，三层交换机能够执行动态路由和动静路由。
OSI 参考模型
尽管 OSI 模型最后的构想很美妙，然而实际上被 TCP/IP 网络模型代替，然而上面三层的内容根本是没有变动的，在学习了这一章的内容之后，咱们对于整个互联网的架构应该有了更深刻的理解。