关于网络:硬核阿里面试就是不一样30张图带你搞懂路由器集线器交换机网桥光猫有啥区别

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故事就从一个车轱辘说起吧。先来看一个车轱辘。

辐条从车轱辘边缘，始终汇聚到 核心的轴，这个轴在英文里叫hub。

而咱们明天要讲到的 集线器，英文里也叫hub。

都叫hub，多少有点关系，看下这面这个图大略能明确，其实两者有点像。

大略想表白的意思是，它是汇聚网线的核心，因而就叫 集线器。

所以能够了解，大家常逛的 Github，Docker Hub, 还有 P hub，都是为了表白它们是 某类资源的核心 ** 了吧。

那么 集线器是什么 呢？那就要从 电脑是怎么互联的 这个话题说起。

小学的时候，有一种网吧，它其实是不能上外网的。也就是不能关上度娘，不能搜寻材料。

不能上网的网吧还能叫网吧？

能 。尽管不能上外网，但网吧老板能够把很多台机子连起来，实现网吧内互联，造成一个 局域网（Local Area Network，简称LAN）。

网吧内互联之后，就能够放上各种游戏，比方 CS，实现网吧内对线。

这种网吧有种益处，没有那么多键盘侠。

毕竟你不晓得什么时候键着键着，对方就顺着网线 找过去了。

对战间接 从线上转移到线下 了。

因而大家打游戏都很谐和，客气，局面非常感人就是了。

那么网吧内的电脑是怎么互联呢？

一根网线互联电脑

从最简略的场景说起，假如网吧内只有 两台 电脑

轻易连根网线就能实现互联吗？

当然不是。

还记得网络分层吗?

数据如果要进行传输，会从 A 电脑通过这些网络分层把音讯组装好，再到 B 电脑层层解包。

网线，只是代替了下面的 灰色局部 ，实现 物理层 上互联。

如果想要两台电脑互联胜利，还须要确保每一层所须要的步骤都要做到位，这样数据能力确保正确投送并返回。

咱们自顶向下，从细节开始说一下实现互联须要做什么。

应用层

该层的网络性能由利用自身保障。

假如两台电脑是打算用游戏进行联网，那么该应用层的性能由游戏程序保障。

传输层

绝大部分游戏用的传输层协定都是 TCP，咱们能够看下TCP 报头。

这外面咱们须要关注的是 源和目标端口，这个能够定位到这台电脑上哪个过程在收发数据。

这两个端口信息个别是游戏外部曾经填好。

AB 两台电脑，其中一台作为服务端启动，比方 A，起了个 服务器 过程。

服务器会凋谢一个 固定的端口 ，比方 27015。这就是 目标端口。

这时候 A 和 B 都能够搜寻到这个服务器。启动一个 客户端 过程，连贯进入 A 的 服务器 过程。

而源端口，则由 A 和 B 本人生成。

网络层

上图除了端口，咱们还看到一个192.168.0.105，这个就是 A 的IP 地址。

咱们看一下 IP 层的报文头。

这外面须要关注是 源和目标 IP 地址。

如果两台电脑想通过一根网线进行音讯通信，那么他们须要在一个 局域网 内。

这意味着，他们的子网掩码须要统一。局域网内，假如子网掩码是 225.225.225.0，会认为 192.168.0.x 这些 IP 都属于一个局域网。所以当 A 的 IP 地址是192.168.0.105 时，那么 B 的 IP 地址能够配成192.168.0.106。

对于 IP 这一块是啥，前面会细讲，大家如果没明确我说的是啥，不要急。

组装好网络层报头后，数据包传入到数据链路据层。

数据链路层

以上解决了网络层的互联，而在数据链路层，数据包里须要拼接上MAC 报头。先看下 MAC 报头长什么样子。

其中须要关怀的是标红的 源和目标 MAC 地址。MAC 地址能够粗略了解是这台电脑网卡的惟一标识。大略长这样

 28:f9:d3:62:7d:31

源和目标地址，在发送音讯的时候就会被填上。

然而 A 只晓得本人的 MAC 地址，怎么能力晓得 B 的 MAC 地址呢？

这时候须要 ARP 协定。

ARP（Address Resolution Protocal），即地址解析协定。用于将 IP 地址解析为以太网的 MAC 地址的协定。

在局域网中，当主机 A 有数据要发送给主机 B 时，A 必须晓得 B 的 IP 地址。

然而仅仅有 IP 地址还是不够的，因为 IP 数据报文还须要在 数据链路层 封装成 帧能力通过物理网络发送。因为发送端还必须有接收端的 MAC 地址，所以须要一个从 IP 地址到 MAC 地址的映射。ARP 就是干这事件的协定。

• A 查本地 ARP 表发现 B 的 IP 和 MAC 映射关系不存在
• A 通过 ARP 播送的模式向局域网收回音讯，询问某 IP 对应的 MAC 地址是多少。比方 A 此时晓得 B 的 IP，但并不知道 B 的 MAC 地址是多少，就会尝试在局域网内发动 ARP 播送，询问局域网下所有机器，哪个机器的 IP 与 B 的 IP 统一。
• B 收到这个 ARP 音讯，发现 A 要问的 IP 与本人的 IP 统一，就会把本人的 MAC 地址作为应答返回给 A。
• 此时 A 就晓得了 B 的 MAC 地址，顺便把音讯记录到本地 ARP 表里，下次间接用表里的关系就行，不须要每次都去问。

物理层

从数据链路层到物理层，数据会被转为01 比特流。

此时须要把比特流传到另一台电脑。

通过一根网线，两段水晶头插入网口，把两台电脑连起来。

但对网线有一些要求。

这根网线两端的水晶头须要采纳 穿插互联法。

水晶头里有 8 根线，留神上图里的色彩，是有程序的。第 1、2 根线起着收信号的作用，而第 3、6 脚发信号的作用。将一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线调换一下地位，就可能在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

当然，当初有些网卡有 自适应 的性能，就算是 直连互联法 的线，也能有 穿插互联法 的成果。如果你用的是这种网卡，就 当我物理层这块什么都没说吧。

互联

此时，在确保 敞开防火墙 的前提下，能够尝试从 A 电脑中 ping 一下 B，再从 B 电脑中 ping 一下 A。如无意外，都能 ping 通。

A 给 B 发个音讯，从应用层到数据链路层，会别离加上 A 和 B 的各种 ” 身份信息 ”。比方在传输层会加上 A 和 B 的利用端口号，在网络层加上源和目标 IP，在数据链路层会加上源和目标网卡的 MAC 头部信息。

B 收到音讯后逐层解包，验证，最初顺利达到应用层。实现 AB 两台机器音讯互通。

至此游戏就能失常联机对线，两台电脑互联胜利！

什么是集线器

两个人打 cs，总会感觉无聊，然而每台电脑又只有一个网线口。

想要邀请更多的人一起玩，怎么办？

那就要回到文章结尾提到的 集线器（hub）了。

这是个工作在 物理层 的设施。

有 多个网口，很好的解决了电脑上只有一个网口的问题，能够做到多台电脑的网线都插入到集线器上。

同时工作原理也非常简单，会把某个端口收到的数据，输出到 中继电路。

中继电路的基本功能是将输出的信号播送到集线器的所有端口上。

简略来说就是无脑复制 N 份到其余 N 个端口上。

数据复制到 N 个端口后。对应转发到 N 台机器里。

集线器内部结构

说到这里，曾经对集线器有个大略意识了。

接下来，咱们看下集线器的内部结构。

从 A 网口进入集线器的音讯，此时还是电信号。这里通过一个 PHY 模块。

要了解 PHY 模块的作用，首先要先理解每个网口，都可能接着网线（废话），而每根网线的传输的格局都是有可能不同的。而 PHY 的作用，就是把这些格局转化为一个通用的格局。

举个例子。PHY 就好比一个翻译器，有的人说英文，有的人说日文。然而 PHY，会把它对立转为普通话，给外部电路解决。外部电路解决完之后，再通过 PHY 模块，转为英语，或日文从对应网口里输入。

通过 PHY 的解决后，以电信号的模式输出到中继电路，被无脑播送，再次通过 PHY 模块后变成 BCD 网口的格局输入。

这外面的电信号，是会受噪声烦扰，导致信号形变出错的。

但就算是错了，也还是会 一成不变 的播送进来，这就是下面提到 无脑 的精华所在。

那信号如果出错了怎么办？

只能让接管方收到音讯后进行校验。

还记得上文里提到的数据链路层的 MAC 报头里最开端有个 FCS 吗？

FCS 里寄存的是发送方通过循环冗余校验 CRC 计算失去的值。

接管方 用收到的数据算一次 CRC，与 FCS 里的值进行比照。

如果统一，那证实数据没问题。如果出错，则 间接抛弃。

当然，抛弃包并不会影响数据的传输，因为抛弃的包不会触发确认响应。因而协定栈的 TCP 模块会检测到丢包，并对该包进行重传。

如果音讯没出错，然而因为无脑播送，C 也能收到 A 发给 B 的数据包。

此时 C 会在承受到数据包后一层层的 ” 剥开 ”。

失常状况下，在数据链路层时，辨认到目标 MAC 地址跟 C 的不统一时，也会把 数据抛弃。

什么是交换机

目前只有 ABC 三台机器，每次都是播送发消息倒还好。

如果机器越来越多，每台机器发一条音讯，都会被播送，就有点顶不住了。

举个例子。

假如 N 台机器，其中两台机器 A 和 B，A 发到 B 和 B 发给 A，共两条音讯。

如果这 N 台机器，用的是集线器。还是 AB 之间互发音讯，每条音讯都是播送的话，就是 (N-1)+(N-1) 条音讯，差距有些大，对网络资源节约就有些重大了。

那么，有没有可能做到，A 发给 B 的音讯，就不要转发给 C 呢？

能够的，把集线器换成交换机。

交换机，又叫switch，跟集线器长得很像。

然而性能更强一些，从网络分层上来说，属于 数据链路层 ，比集线器所在的 物理层 还要高一层。

所有发到交换机的数据，都会先进入交换机的缓存区。接着音讯再被 转发 到对应机器上。

留神这里用的是 转发 ，而不是 集线器的播送，交换机是怎么做到转发的呢？

MAC 地址表

交换机外部保护了一张MAC 地址表。

记录了 端口号和 MAC 地址的对应关系。

这个表的数据是交换机 一直学习 的后果。

当 A 发消息到交换机时，交换机发现音讯是从 1 号端口进来的，则会在 MAC 地址表上，记录 A 的 MAC 地址对应 1 号端口。

如果 A 没有很长时间没发消息到这个 1 号端口，那这条记录就会 过期并被删除。

那么，当工夫足够长，ABC 都发过音讯给交换机后，地址表就会有残缺的关系信息。

• A 筹备发送音讯给 B，此时 A 会把 B 的 MAC 地址，放入要发送的数据里。数据顺着网线收回。
• 交换机从端口收到数据，会把数据里的源和目标 MAC 地址提出来，跟 MAC 地址表进行比照。
• 发现 B 的 MAC 地址正好在 2 号端口，那么就把数据转发给 2 号端口。
• 此时 B 电脑从网线收到来自交换机 2 号端口的数据。

两种非凡状况

失常流程很分明了，看两个 非凡状况：

1. 交换机查问地址表时，发现目标 MAC 地址的指标端口和这个包的源端口，是同一个端口，怎么办？

先说论断，会间接抛弃这个包。

咱们看下，假如它不抛弃，会产生什么状况。

• A 发了个音讯给 B，两头通过一个 集线器 ，此时音讯会被 播送 到 B 和交换机。
• 此时 B 收到 第一条 A 发给它的音讯
• 交换机从 1 号端口收到 A 的音讯后，解包，取得目标 MAC 地址是 BB-BB-BB-BB-BB-BB。查 MAC 地址表，发现要发到 1 号端口。此时，源和目标端口都是同一个，如果交换机不抛弃这个音讯 ，B 会收到 第二条 A 发给它的音讯。

A 只发了 一次 音讯，B 却收到 两条 音讯，显著不对。

因而，当交换机查问地址表时，发现指标端口和源端口，是同一个端口时，会抛弃这个包。

1. MAC 地址表里找不到对应的 MAC 地址，怎么办？

这可能是因为具备该地址的设施，还没有向交换机发送过包，或者这个设施一段时间没有工作，导致地址被从地址表中删除了。

这种状况下，交换机无奈判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上，无论该设施连贯在哪个端口上，都能收到这个包。

此时，交换机就会跟集线器一样进行 播送。

发送了包之后指标设施会作出响应，只有返回了响应包，交换机就能够将它的地址写入地址表，下次也就不须要把包 发到所有端口了。

交换机内部结构

再看下交换机内部结构。

其实比照能够发现，交换机和集线器内部结构很像。

重点须要提到的是 MAC 模块。音讯以 电信号 的模式从网口进入，到了 PHY 会被转成 通用格局 的电信号。而 MAC 模块的作用是把这个电信号转为 数字信号 ，这样就能提取出 MAC 包头，并通过 MAC 数据帧开端的FCS 校验 这个包有没有问题，如果没问题，则把数据放到 内存缓冲区 里，否则间接抛弃。

另外，这个 MAC 模块，尽管这么叫。但其实 交换机 MAC 模块不具备 MAC 地址。因而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。

放入到内存缓冲区后，还会把 MAC 地址和端口号记录到 MAC 地址表中。同时查看 目标 MAC 地址 在不在 MAC 地址表中，在的话则会 转发 到对应端口。否则 播送。

交换机与网桥的区别

网桥，实质上能够了解为 两个网线口的交换机 ，正好能够把两台电脑给连起来，也叫 桥接 。而交换机，则是 多网线口的网桥，能够把多台电脑给连（桥接）起来。

其余性能方面，大差不差，不用太过纠结。

交换机和二层交换机和三层交换机有什么区别

这一部分提到的 交换机 ，其实就是 二层交换机 ，也就是工作在第二层（ 数据链路层 ）的交换机，二者 没区别。

而 三层交换机 ，是工作在第三层（ 网络层 ）的交换机，其实就是接下来要提到的 路由器。

什么是路由器

有了交换机之后，小网吧里的电脑就都能够被连起来了。交换机网口不够？那就再接个交换机。

但世界上电脑这么多，交换机里的 MAC 地址表难道全都要记住吗?

显然做不到。为了解决这个问题。

于是就有了 路由器 ，工作在 网络层，比数据链路层更高一层。

网络层引入了 IP 的概念。

什么是 IP

比方后面提到的 192.168.0.105 就是一个 IP，同一个 局域网 内还可能会有一个 IP 是192.168.0.106。有没有发现，它们都是192.168.0.xxx。

像极了 上海市. 黄浦区. 南京东路.105 号 ，这样的地址。现实生活中，咱们能够通过一个地址定位到要去哪。到了 上海市. 黄浦区. 南京东路.105 号 楼里，咱们就能够再去找某个叫身份证为 xiaobaixxxxx 的人。

那互联网世界里，咱们也就能够通过 IP 地址，定位到某个广域网段，再通过广域网外部的局域网的 MAC 地址定位到具体某个电脑。

上海市. 黄浦区. 南京东路.105 号 能够帮忙咱们定位到在南京东路上的第 105 号楼的地位。但还有些路，比方南京西路，可能不止 105 号，可能要到 257 号。

实际上一个 IP 由网络号和主机号组成，共 32 位组成。如果拿了后面 24 位做网络号，那主机号就剩 8 位了，2 的 8 次方 =256，最多示意示意 256 号楼。因而为了多示意几个楼，能够向网络号多挪几位过去作为主机号。

那么具体多少位作为网络号呢？能够在 IP 前面加一个数字，用来表明这一点。

于是就有了 192.168.0.105/24这种示意办法，表明前 24 位 192.168.0.0 是网络号，105 是主机号。

有了网段，就能够一次性示意一大批地址。就不须要像交换机那样苦哈哈的一条一条 MAC 地址记录在表里。

路由表

路由器的作用，能够帮忙咱们在互联网世界里转发音讯到对应的 IP。

比照一下。

交换机，是通过 MAC 头部中，接管方 MAC 地址，来判断转发指标的。

路由器，则是依据 IP 头部中，IP 地址来判断的。

因为应用的地址不同，记录转发信息的表也会不同。

相似交换机的 MAC 地址表，路由器也保护了一张 路由表。

而路由表，是用于通知路由器，什么样的音讯该转发到什么端口。

假如 A 要发消息到 D。也就是 192.168.0.105/24 要发消息到192.168.1.11/24。

那么 A 会把音讯通过交换机发到路由器。

路由器通过 192.168.0.105/24 取得其网络号是 192.168.0.0，而目的地的网络号是192.168.1.0，二者网络号不同，处于不同局域网。

查 路由表，发现192.168.1.0, 在 e2 端口，那么就会把音讯从 e2 端口收回，达到交换机，交换机发现 MAC 地址是它局域网下的 D 机器，就把音讯打过来。

当然，如果路由表里找不到，那就打到默认 网关 吧，也就是从 e1 口收回，发到 IP192.0.2.1。这个路由器的路由表不晓得该去哪，说不定其余路由器晓得。

路由器的内部结构

路由器外部，分为 管制立体和数据立体 ，说白了就是对应 软件局部和硬件局部。

硬件局部跟交换机很像。数据从 A 网口 进入，此时数据还是网线上格局的电信号，会被 PHY 模块 转为通用信号格局，再被 MAC 模块 转为数字信号，通过 FCS 进行谬误校验，同时 校验 MAC 地址是否是本人 ，通过校验则进入 内存 缓冲区，否则抛弃。

再进入 软件局部 ，由路由抉择处理器，通过肯定规定（软件逻辑），查问 路由表 判断转发指标和对应 转发口 ，再经由 硬件局部 的替换构造 转发进来。

如果路由表中 无奈找到 匹配记录，路由器会抛弃这个包，并通过 ICMP 音讯告知发送方。

路由器和交换机的次要区别

MAC 模块的区别

路由器和交换机不同点在于，它的 每个网口下，都有一个 MAC 地址和 IP 地址。

正因为路由器具备 MAC 地址，因而它可能成为数据链路层的的 发送方和接管方。

怎么了解这句话？

后面提到交换机，是不具备 MAC 地址的，而 MAC 报头 是须要填上目标 MAC 地址的。因而交换机素来都不是数据的目的地，它只简略转发数据帧到 目的地。

但路由器，是有 MAC 地址的，因而 MAC 报头就能够写上，下一站目的地就是 xx 路由。

到了路由器后，路由器能够再次组装下一站的目标 MAC 地址是再下一个路由，通过这一点，让数据在路由和路由之间传输。

而同时因为交换机不具备 MAC 地址，因而也不会校验收到的数据帧的 MAC 地址是不是本人的，全副收下做转发。而路由器则会校验数据帧的 MAC 报头里的目标 MAC 地址是不是本人，是的话才会支出内存缓冲区，否则抛弃。

找不到转发目的地时的解决形式有区别

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。

而交换机在 MAC 地址表 里找不到转发端口时会抉择播送。

这里的解决形式两者是不同的，起因在于网络规模的大小。

交换机连贯的网络最多也就是几千台设施的规模，这个规模并 不大。如果只有几千台设施，遇到不晓得应该转发到哪里的包，交换机能够将包发送到所有的端口上，尽管这个办法很简略粗犷，但不会引发什么 问题。

但路由器工作的网络环境就是互联网，全世界所有的设施都连贯在互联网上，规模十分大，并且这个规模还在继续扩充中。如果此时它的操作跟交换机一样，将不晓得应该转发到哪里的包发送到整个网络上，那就会产生大量的网络包，造成网络拥塞。因而，路由器遇到不晓得该转发到哪里的包，就会间接抛弃。

路由器和光猫有什么区别

不论是交换机还是路由器，后面都是提到网口输出的是 电信号 。但当初风行的是 光纤传输 ，传输的是 光信号。

而 光猫 （modem），是一种调制解调器，其实就是用于 光电信号转换 的设施。

接收数据时，能够将光纤里的 光信号转化为电信号，发给路由器，路由器外部再转成数字信号，并在此基础上做各种解决。

相同，也会把路由器传来的 电信号转为光信号，发到光纤，并进入互联网。

总结

• 两台电脑能够通过一根网线间接连贯，进行通信。
• 机器一多，能够把网线都接到 集线器 （物理层）上，然而集线器会不管三七二十一进行 播送。
• 不想播送，能够用（二层）交换机 （数据链路层），又叫多端口网桥，它比拟聪慧，会自我学习生产 MAC 地址表，晓得音讯发到哪，那就 不须要播送 啦
• 互联网电脑这么多，交换机 MAC 地址表总不能全放下吧。改用 路由器（网络层），也叫三层交换机，通过网段的形式定位要把音讯转发到哪，就不须要像交换机那样苦哈哈一条条记录 MAC 地址啦。
• 路由器和光猫之间是好搭档，光猫 负责把光纤里的光信号转换成电信号给路由器。
• 当初个别状况下，家里曾经不必集线器和交换机了，大部分路由器也反对交换机的性能。所以能够看到，家里的台式机电脑个别就连到一个路由器，再连个光猫就够能高兴上网了。

最初

以前整个班的同学家里都不见得有一台电脑，都喜爱偷偷跑去网吧玩电脑。改革开放的春风，把电脑吹进了每家每户，也把网吧给吹成了网咖。

从前的我早晨偷偷上网，当初的我，接到报警，也能在大半夜爬起来网上冲浪。

没想到我以这种形式放弃了当初最纯正的纯朴。

我是小白，看下右下角，你懂我意思的。

夏天快来了，咱们下期见。

参考资料

网络是怎么连贯的 – 户根勤

趣谈网络协议 - 极客工夫

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