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硬核图解!30张图带你搞懂!路由器,集线器,交换机,网桥,光猫有啥区别?

2022-11-23
作者:胖虎
来源:一口Linux

  故事就从一个车轱辘说起吧。先来看一个车轱辘。

微信图片_20221123150149.jpg

  辐条从车轱辘边缘,一直汇聚到 中心的轴,这个轴在英文里叫hub。

  而我们今天要讲到的集线器,英文里也叫hub

  都叫hub,多少有点关系,看下这面这个图大概能明白,其实两者有点像。

微信图片_20221123150154.png

  hub的由来

  大概想表达的意思是,它是汇聚网线的中心,因此就叫集线器

  所以可以理解,大家常逛的Github,Docker Hub, 还有P**hub,都是为了表达它们是某类资源的中心了吧。

  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。也就是不能打开度娘,不能搜索资料。

  不能上网的网吧还能叫网吧?

  能。虽然不能上外网,但网吧老板可以把很多台机子连起来,实现网吧内互联,形成一个局域网(Local Area Network,简称LAN)。

  网吧内互联之后,就可以放上各种游戏,比如CS,实现网吧内对线。

  这种网吧有种好处,没有那么多键盘侠。

  毕竟你不知道什么时候键着键着,对方就顺着网线找过来了。

  对战直接从线上转移到线下了。

  因此大家打游戏都很和谐,客气,场面十分感人就是了。

  那么网吧内的电脑是怎么互联呢?

一根网线互联电脑

  从最简单的场景说起,假设网吧内只有两台电脑

微信截图_20221123150540.png

  两台电脑互联

  随便连根网线就能实现互联吗?

  当然不是。

  还记得网络分层吗?

微信截图_20221123150558.png

  数据如果要进行传输,会从A电脑经过这些网络分层把消息组装好,再到B电脑层层解包。

  网线,只是代替了上面的灰色部分,实现物理层上互联。

  如果想要两台电脑互联成功,还需要确保每一层所需要的步骤都要做到位,这样数据才能确保正确投送并返回。

  我们自顶向下,从细节开始说一下实现互联需要做什么。

  应用层

  该层的网络功能由应用本身保证。

  假设两台电脑是打算用游戏进行联网,那么该应用层的功能由游戏程序保证。

  传输层

  绝大部分游戏用的传输层协议都是TCP,我们可以看下TCP报头

微信截图_20221123150657.png

  这里面我们需要关注的是源和目的端口,这个可以定位到这台电脑上哪个进程在收发数据。

  这两个端口信息一般是游戏内部已经填好。

  AB两台电脑,其中一台作为服务端启动,比如A,起了个服务器进程。

  服务器会开放一个固定的端口,比如27015。这就是目的端口

  这时候A和B都可以搜索到这个服务器。启动一个客户端进程,连接进入A的服务器进程。

  而源端口,则由A和B自己生成。

 网络层

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

  我们看一下IP层的报文头。

微信截图_20221123150810.png

  这里面需要关注是源和目的IP地址

  如果两台电脑想通过一根网线进行消息通信,那么他们需要在一个局域网内。

  这意味着,他们的子网掩码需要一致。局域网内,假设子网掩码是 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地址可以配成192.168.0.106 。

  关于IP这一块是啥,后面会细讲,大家如果没明白我说的是啥,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,数据包里需要拼接上MAC报头。先看下MAC报头长什么样子。

微信截图_20221123153831.png

  其中需要关心的是标红的源和目的MAC地址。MAC地址可以粗略理解是这台电脑网卡的唯一标识。大概长这样

  28:f9:d3:62:7d:31

  源和目的地址,在发送消息的时候就会被填上。

  但是A只知道自己的MAC地址,怎么才能知道B的MAC地址呢?

  这时候需要ARP协议。

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

  在局域网中,当主机A有数据要发送给主机B时,A必须知道B的IP地址。

  但是仅仅有IP地址还是不够的,因为IP数据报文还需要在数据链路层封装成帧才能通过物理网络发送。因为发送端还必须有接收端的MAC地址,所以需要一个从IP地址到MAC地址的映射。ARP就是干这事情的协议。

微信截图_20221123154046.png

  A查本地ARP表发现B的IP和MAC映射关系不存在

  A通过ARP广播的形式向局域网发出消息,询问某IP对应的MAC地址是多少。比如A此时知道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起ARP广播,询问局域网下所有机器,哪个机器的IP与B的IP一致。

  B收到这个ARP消息,发现A要问的IP与自己的IP一致,就会把自己的MAC地址作为应答返回给A。

  此时A就知道了B的MAC地址,顺便把消息记录到本地ARP表里,下次直接用表里的关系就行,不需要每次都去问。

  物理层

  从数据链路层到物理层,数据会被转为01比特流

  此时需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需要采用交叉互联法

微信截图_20221123154125.png

  水晶头里有8根线,注意上图里的颜色,是有顺序的。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号线互换一下位置,就能够在物理层实现一端发送的信号,另一端能收到。

  当然,现在有些网卡有自适应的功能,就算是直连互联法的线,也能有交叉互联法的效果。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,在确保关闭防火墙的前提下,可以尝试从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发个消息,从应用层到数据链路层,会分别加上A和B的各种''身份信息"。比如在传输层会加上A和B的应用端口号,在网络层加上源和目的IP,在数据链路层会加上源和目的网卡的MAC头部信息。

  B收到消息后逐层解包,验证,最后顺利到达应用层。实现AB两台机器消息互通。

  至此游戏就能正常联机对线,两台电脑互联成功!

 什么是集线器

  两个人打cs,总会觉得无聊,但是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?

微信截图_20221123154333.png

  那就要回到文章开头提到的集线器(hub)了。

  这是个工作在物理层的设备。

  有多个网口,很好的解决了电脑上只有一个网口的问题,可以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,输入到中继电路

  中继电路的基本功能是将输入的信号广播到集线器的所有端口上。

  简单来说就是无脑复制N份到其余N个端口上。

微信截图_20221123154402.png

  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,已经对集线器有个大概认识了。

  接下来,我们看下集线器的内部结构。

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  从A网口进入集线器的消息,此时还是电信号。这里经过一个PHY模块。

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

  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。但是PHY,会把它统一转为普通话,给内部电路处理。内部电路处理完之后,再经过PHY模块,转为英语,或日文从对应网口里输出。

  经过PHY的处理后,以电信号的形式输入到中继电路,被无脑广播,再次经过PHY模块后变成BCD网口的格式输出。

  这里面的电信号,是会受噪声干扰,导致信号形变出错的。

  但就算是错了,也还是会原封不动的广播出去,这就是上面提到无脑的精髓所在。

  那信号如果出错了怎么办?

  只能让接收方收到消息后进行校验。

  还记得上文里提到的数据链路层的MAC报头里最末尾有个FCS吗?

  FCS里存放的是发送方通过循环冗余校验CRC计算得到的值。

接收方用收到的数据算一次CRC,与FCS里的值进行对比。

  如果一致,那证明数据没问题。如果出错,则直接丢弃

  当然,丢弃包并不会影响数据的传输, 因为丢弃的包不会触发确认响应。因此协议栈的 TCP 模块会检测到丢包, 并对该包进行重传。

  如果消息没出错,但是因为无脑广播,C也能收到A发给B的数据包。

  此时 C 会在接受到数据包后一层层的"剥开"。

  正常情况下,在数据链路层时,识别到目的 MAC 地址跟 C 的不一致时,也会把数据丢弃

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  什么是交换机

  目前只有 ABC 三台机器,每次都是广播发消息倒还好。

  如果机器越来越多,每台机器发一条消息,都会被广播,就有点顶不住了。

  举个例子。

  假设N台机器,其中两台机器A和B,A发到B和B发给A,共两条消息。

  如果这N台机器,用的是集线器。还是AB之间互发消息,每条消息都是广播的话,就是(N-1)+(N-1)条消息,差距有些大,对网络资源浪费就有些严重了。

  那么,有没有可能做到,A发给B的消息,就不要转发给C呢?

  可以的,把集线器换成交换机

 交换机,又叫switch,跟集线器长得很像。

  但是功能更强一些,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。接着消息再被转发到对应机器上。

  注意这里用的是转发,而不是集线器的广播,交换机是怎么做到转发的呢?

  MAC地址表

  交换机内部维护了一张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不断学习的结果。

  当A发消息到交换机时,交换机发现消息是从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,当时间足够长,ABC 都发过消息给交换机后,地址表就会有完整的关系信息。

微信截图_20221123154809.png

  A准备发送消息给B,此时A会把B的MAC地址,放入要发送的数据里。数据顺着网线发出。

  交换机从端口收到数据,会把数据里的源和目的MAC地址提出来,跟MAC地址表进行对比。

  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。

两种特殊情况

  正常流程很清楚了,看两个特殊情况

  交换机查询地址表时,发现目的 MAC 地址的目标端口和这个包的源端口,是同一个端口,怎么办?

  先说结论,会直接丢弃这个包

  我们看下,假设它不丢弃,会发生什么情况。

微信截图_20221123155116.png

  A发了个消息给B,中间经过一个集线器,此时消息会被广播到B和交换机。

  此时B收到第一条A发给它的消息

  交换机从1号端口收到A的消息后,解包,获得目的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,源和目的端口都是同一个,如果交换机不丢弃这个消息,B会收到第二条A发给它的消息。

  A只发了一次消息,B却收到两条消息,明显不对。

  因此,当交换机查询地址表时,发现目标端口和源端口,是同一个端口时,会丢弃这个包。

  MAC地址表里找不到对应的MAC地址,怎么办?

  这可能是因为具有该地址的设备,还没有向交换机发送过包,或者这个设备一段时间没有工作,导致地址被从地址表中删除了。

  这种情况下,交换机无法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,无论该设备连接在哪个端口上,都能收到这个包。

  此时,交换机就会跟集线器一样进行广播

  发送了包之后目标设备会作出响应,只要返回了响应包,交换机就可以将它的地址写入地址表,下次也就不需要把包 发到所有端口了。

 交换机内部结构

  再看下交换机内部结构。

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  其实对比可以发现,交换机和集线器内部结构很像。

  重点需要提到的是MAC模块。消息以电信号的形式从网口进入,到了PHY会被转成通用格式的电信号。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数据帧末尾的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,否则直接丢弃。

  另外,这个MAC模块,虽然这么叫。但其实交换机MAC模块不具有 MAC 地址。因此交换机的端口不核对接收方 MAC 地址,而是直接接收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。同时检查目的MAC地址在不在MAC地址表中,在的话则会转发到对应端口。否则广播。

  交换机与网桥的区别

网桥,本质上可以理解为两个网线口的交换机,正好可以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,可以把多台电脑给连(桥接)起来。

  其他功能方面,大差不差,不必太过纠结。

  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可以被连起来了。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

  比如前面提到的 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,我们可以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,我们就可以再去找某个叫身份证为xiaobaixxxxx的人。

  那互联网世界里,我们也就可以通过IP地址,定位到某个广域网段,再通过广域网内部的局域网的MAC地址定位到具体某个电脑。

  上海市.黄浦区.南京东路.105号可以帮助我们定位到在南京东路上的第105号楼的位置。但还有些路,比如南京西路,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。如果拿了前面24位做网络号,那主机号就剩8位了,2的8次方=256,最多表示表示256号楼。因此为了多表示几个楼,可以向网络号多挪几位过来作为主机号。

  那么具体多少位作为网络号呢?可以在IP后面加一个数字,用来表明这一点。

  于是就有了 192.168.0.105/24这种表示方法,表明前24位192.168.0.0是网络号,105是主机号。

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  有了网段,就可以一次性表示一大批地址。就不需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,可以帮助我们在互联网世界里转发消息到对应的IP。

  对比一下。

  交换机,是通过 MAC 头部中,接收方 MAC 地址,来判断转发目标的。

  路由器,则是根据 IP 头部中, IP 地址来判断的。

  由于使用的地址不同,记录转发信息的表也会不同。

  类似交换机的MAC地址表,路由器也维护了一张路由表。

  而路由表,是用于告诉路由器,什么样的消息该转发到什么端口。

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  假设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会把消息经过交换机发到路由器。

  路由器通过192.168.0.105/24获得其网络号是 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,那么就会把消息从e2端口发出,到达交换机,交换机发现MAC地址是它局域网下的D机器,就把消息打过去。

  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口发出,发到IP192.0.2.1。这个路由器的路由表不知道该去哪,说不定其他路由器知道。

 路由器的内部结构

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  路由器内部,分为控制平面和数据平面,说白了就是对应软件部分和硬件部分。

  硬件部分跟交换机很像。数据从A网口进入,此时数据还是网线上格式的电信号,会被PHY模块转为通用信号格式,再被MAC模块转为数字信号,通过FCS进行错误校验,同时校验MAC地址是否是自己,通过校验则进入内存缓冲区,否则丢弃。

  再进入软件部分,由路由选择处理器,通过一定规则(软件逻辑),查询路由表判断转发目标和对应转发口,再经由硬件部分的交换结构转发出去。

  如果路由表中无法找到匹配记录,路由器会丢弃这个包,并通过ICMP消息告知发送方。

 路由器和交换机的主要区别

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。

  正因为路由器具有 MAC 地址,因此它能够成为数据链路层的的发送方和接收方。

  怎么理解这句话?

  前面提到交换机,是不具备MAC地址的,而MAC报头是需要填上目的MAC地址的。因此交换机从来都不是数据的目的地,它只简单转发数据帧到目的地。

  但路由器,是有MAC地址的,因此MAC报头就可以写上,下一站目的地就是xx路由。

  到了路由器后,路由器可以再次组装下一站的目的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有MAC地址,因此也不会校验收到的数据帧的MAC地址是不是自己的,全部收下做转发。而路由器则会校验数据帧的MAC报头里的目的MAC地址是不是自己,是的话才会收入内存缓冲区,否则丢弃。

 找不到转发目的地时的处理方式有区别

  如果在路由表中无法找到匹配的记录,路由器会丢弃这个包,并通过 ICMP消息告知发送方。

  而交换机在MAC地址表里找不到转发端口时会选择广播。

  这里的处理方式两者是不同的,原因在于网络规模的大小。

  交换机连接的网络最多也就是几千台设备的规模,这个规模并 不大。如果只有几千台设备,遇到不知道应该转发到哪里的包,交换机可以将包发送到所有的端口上,虽然这个方法很简单粗暴,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,全世界所有的设备都连接在互联网上,规模非常大,并且这个规模还在持续扩大中。如果此时它的操作跟交换机一样,将不知道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。因此,路由器遇到不知道该转发到哪里的包, 就会直接丢弃。

 路由器和光猫有什么区别

  不管是交换机还是路由器,前面都是提到网口输入的是电信号。但现在流行的是光纤传输,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备。

  接收数据时,可以将光纤里的光信号转化为电信号,发给路由器,路由器内部再转成数字信号,并在此基础上做各种处理。

  相反,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。

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  总结

  两台电脑可以通过一根网线直接连接,进行通信。

  机器一多,可以把网线都接到集线器(物理层)上,但是集线器会不管三七二十一进行广播。

  不想广播,可以用(二层)交换机(数据链路层),又叫多端口网桥,它比较聪明,会自我学习生产MAC地址表,知道消息发到哪,那就不需要广播啦

  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,通过网段的方式定位要把消息转发到哪,就不需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。

  现在一般情况下,家里已经不用集线器和交换机了,大部分路由器也支持交换机的功能。所以可以看到,家里的台式机电脑一般就连到一个路由器,再连个光猫就够能快乐上网了。

 最后

  以前整个班的同学家里都不见得有一台电脑,都喜欢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。

  从前的我晚上偷偷上网,现在的我,接到报警,也能在大半夜爬起来网上冲浪。

  没想到我以这种方式保持了当初最纯粹的质朴。

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电子技术应用专栏作家 一口linux

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/t7vomHGTMJ179XTmuJjDqQ

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