中繼器(轉發器)，集線器，網橋，交換機介紹

1. 物理層裝置#

1.1 中繼器#

　　中繼器又稱轉發器，主要功能是將訊號整形並放大再轉發出去，以消除訊號經過一長段電纜後，因噪聲或其他原因而造成的失真和衰減，使訊號的波形和強度達到所需要的事求，進而擴網路傳輸的距離。其原理是訊號再生（而非簡單地將衰減的訊號放大)。中繼器有兩個埠，資料從一個埠輸入，再從另一個埠發出。埠僅作用於訊號的電氣部分，而不管資料中是否有錯誤資料或不適於網段的資料。

　　中繼器是區域網環境下用來擴大網路規模的最簡單、最廉價的互聯裝置。使用中繼器連線的幾個網段仍然是一個區域網。一般情況下，中繼器的兩端連線的是相同的媒體，但有的中繼器也可以完成不同媒體的轉接工作。但由於中繼器工作在物理層，因此它不能連線兩個具有不同速率的區域網。中繼器兩端的網路部分是網段，而不是子網。中繼器若出現故障，對相鄰兩個網段的工作都將產生影響。

　　從理論上講，中繼器的使用數目是無限的，網路球而也可以無限延長。但事實上這不可能，因為網路標準中對訊號的延遲範圍做了具體的規定，中繼器只能在此規定範圍內進行有效的工作，否則會引起網路故障。例如，在採用粗同軸電纜的10BASE5乙太網規範中，互相串聯的中繼器的個數不能超過4個，而且用4箇中繼器串聯的5段通訊介質中只有3段可以掛接計算機，其餘兩段只能用作擴充套件通訊範圍的鏈路段，不能掛接計算機。這就是所謂的“5-4-3規則”。

　　注意：放大器和中繼器都起放大作用，只不過放大器放大的是模擬訊號，原理是將衰減的訊號放大，而中繼器放大的是數字訊號，原理是將衰減的訊號整形再生。如果某個網路裝置具有儲存轉發的功能，那麼可以認為它能連線兩個不同的協議，如果該網路裝置沒有儲存轉發功能，那麼認為它不能連線兩個不同的協議。中繼器是沒有儲存轉發功能的，因此它不能連線兩個速率不同的網段，中繼器兩端的網段一定要使用同一個協議。

1.2 集線器#

　　集線器（Hub）實質上是一個多埠的中繼器，不能儲存轉發。它的每個介面僅僅簡單地轉發位元——收到1就轉發1，收到0就轉發0，不進行碰撞檢測。若兩個介面同時有訊號輸入（即發生碰撞），那麼所有的介面都將收不到正確的幀。下圖是具有三個介面的集線器的示意圖。

2.資料鏈路層裝置#

2.1 網橋#

　　網橋（Bridge）是早期的兩埠二層網路裝置。

　　兩個或多個乙太網通過網橋連線後，就成為一個覆蓋範圍更大的乙太網，而原來的每個乙太網就稱為一個網段。網橋工作在鏈路層的MAC子層，可以使乙太網各網段成為隔離開的碰撞域。如果把網橋換成工作在物理層的轉發器，那麼就沒有這種過濾通訊量的功能。由於各網段相對獨立，因此一個網段的故障不會影響到另一個網段的執行。

　　注意：網橋處理資料的物件是幀，所以它是工作在資料鏈路層的裝置，中繼器、放大器處理資料的物件是訊號，所以它是工作在物理層的裝置。

　　網路1和網路2通過網橋連線後，網橋接收網路1傳送的資料幀，檢查資料幀中的地址，如果是網路2的地址，那麼就轉發給網路2；如果是網路1的地址，那麼就將其丟棄，因為源站和目的站處在同一個網段，目的站能夠直接收到這個幀而不需要藉助網橋轉發。

　　如圖3.32所示，設每個網段的資料率都是10Mb/s，那麼三個網段合起來的最大吞吐量就變成了30Mb/s。如果把兩個網橋換成集線器或轉發器,那麼整個網路仍然是一個碰撞域(即衝突域)，當A和B通訊時，所有其他站點都不能通訊，整個碰撞域的最大吞吐量仍然是10Mb/s。

2.2 交換機#

　　乙太網交換機的實質是一個多埠的網橋，在資料鏈路層使用MAC地址轉發資料。通過引入路由功能，一些交換機也可以在網路層轉發資料，這種交換機一般被稱為三層交換機或者多層交換機。

　　乙太網交換機是基於乙太網傳輸資料的交換機，乙太網採用共享匯流排型傳輸媒體方式的區域網。乙太網交換機的結構是每個埠都直接與主機相連，並且一般都工作在全雙工方式。交換機能同時連通許多對埠，使每一對相互通訊的主機都能像獨佔通訊媒體那樣，進行無衝突地傳輸資料。

　　交換機工作於OSI參考模型的第二層，即資料鏈路層。交換機內部的CPU會在每個埠成功連線時，通過將MAC地址和埠對應，形成一張MAC表。在今後的通訊中，發往該MAC地址的資料包將僅送往其對應的埠，而不是所有的埠。因此交換機可用於劃分資料鏈路層廣播，即衝突域；但它不能劃分網路層廣播，即廣播域。

　　交換機對資料包的轉發是建立在MAC地址——實體地址基礎之上的，對於IP網路協議來說，它是透明的，即交換機在轉發資料包時，不知道也無須知道信源機和信宿機的IP地址，只需知其實體地址。

　　交換機在操作過程當中會不斷的收集資料去建立它本身的一個地址表，這個表相當簡單，它說明了某個MAC地址是在哪個埠上被發現的，所以當交換機收到一個TCP/IP 資料包時，它便會檢視該資料包的目的MAC地址，核對自己的地址表以確認應該從哪個埠把資料包發出去。由於這個過程比較簡單，加上這功能由一嶄新硬體進行——ASIC，因此速度相當快。一般只需幾十微秒，交換機便可決定一個IP資料包該往哪裡送。

　　如果目的地MAC地址不能在地址表中找到時，交換機會把IP 資料包“擴散”出去，即把它從每一個埠中提交去，就如交換機在處理一個收到的廣播資料包時一樣。二層交換機的弱點正是它處理廣播資料包的手法不太有效，比方說，當一個交換機收到一個從TCP/IP工作站上發出來的廣播資料包時，他便會把該資料包傳到所有其他埠去，哪怕有些埠上連的是IPX或DECnet工作站。這樣一來，非TCP/IP節點的頻寬便會受到負面的影響，就算同樣的TCP/IP節點，如果他們的子網跟傳送那個廣播資料包的工作站的子網相同，那麼他們也會無緣無故地收到一些與他們毫不相干的網路廣播，整個網路的效率因此會大打折扣。

交換機實現虛擬區域網VLAN #

　　利用乙太網交換機可以很方便地實現虛擬區域網VLAN，具體可以參考這篇文章：虛擬區域網。

乙太網交換機的自學習功能#

　　我們用一個簡單例子來說明乙太網交換機是怎樣進行自學習的。

　　假定在圖3-25中的乙太網交換機有4個介面，各連線一臺計算機，其 MAC 地址分別是A，B，C和D。在一開始，乙太網交換機裡面的交換表是空的（圖3-25(a))。

　　A 先向B傳送一幀，從介面1進入到交換機。交換機收到幀後，先查詢交換表，沒有查到應從哪個介面轉發這個幀（在MAC地址這一列中，找不到目的地址為B的專案)。接著，交換機把這個幀的源地址A和介面1寫入交換表中，並向除介面1以外的所有介面廣播這個幀（這個幀就是從介面1進來的，當然不應當把它再從介面1轉發出去)。C和D將丟棄這個幀，因為目的地址不對。只B才收下這個目的地址正確的幀。這也稱為過濾。

　　從新寫入交換表的專案(A，1)可以看出，以後不管從哪一個介面收到幀，只要其目的地址是A，就應當把收到的幀從介面1轉發出去。這樣做的依據是:既然A發出的幀是從介面1進入到交換機的，那麼從交換機的介面1轉發出的幀也應當可以到達A。

　　假定接下來B通過介面3向A傳送一幀。交換機查詢交換表，發現交換表中的MAC地址有A。表明要傳送給A 的幀（即目的地址為A的幀）應從介面1轉發。於是就把這個幀傳送到介面1轉發給A。顯然，現在已經沒有必要再廣播收到的幀。交換表這時新增加的專案(B.3)，表明今後如有傳送給B的幀，就應當從介面3轉發出去。

　　經過一段時間後，只要主機C和D也向其他主機發送幀，乙太網交換機中的交換表就會把轉發到C或D應當經過的介面號(2或4)寫入到交換表中。這樣，交換表中的專案就齊全了。要轉發給任何一臺主機的幀，都能夠很快地在交換表中找到相應的轉發介面。

　　考慮到有時可能要在交換機的介面更換主機，或者主機要更換其網路介面卡，這就需要更改交換表中的專案。為此，在交換表中每個專案都設有一定的有效時間。過期的專案就自動被刪除。用這樣的方法保證交換表中的資料都符合當前網路的實際狀況。

　　乙太網交換機的這種自學習方法使得乙太網交換機能夠即插即用，不必人工進行配置，因此非常方便。但有時為了增加網路的可靠性，在使用乙太網交換機組網時，往往會增加一些冗餘的鏈路。在這種情況下，自學習的過程就可能導致乙太網幀在網路的某個環路中無限制地兜圈子。我們用圖3-26的簡單例子來說明這個問題。

　　在圖3-26中，假定一開始主機A通過介面交換機#1向主機B傳送一幀。交換機#1收到這個幀後就向所有其他介面進行廣播發送。現觀察其中一個幀的走向：離開交換機#1的介面3→交換機#2的介面1→介面2→交換機#1 的介面4→介面3→交換機#2的介面1......。這樣就無限制地迴圈兜圈子下去，白白消耗了網路資源。

　　為了解決這種兜圈子問題，IEEE的802.1D標準制定了一個生成樹協議STP (SpanningTree Protocol)。其要點就是不改變網路的實際拓撲，但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而消除了兜圈子現象。

2.3 網橋和交換機的區別#

　　區域網交換機的基本功能與網橋一樣，具有幀轉發、幀過濾和生成樹演算法功能。但是，交換機與網橋相比還是存在以下不同：

　　1、交換機工作時，實際上允許許多組埠間的通道同時工作。所以，交換機的功能體現出不僅僅是一個網橋的功能，而是多個網橋功能的集合。即網橋一般分有兩個埠，而交換機具有高密度的埠。

　　2、分段能力的區別

　　由於交換機能夠支援多個埠，因此可以把網路系統劃分成為更多的物理網段，這樣使得整個網路系統具有更高的頻寬。而網橋僅僅支援兩個埠，所以，網橋劃分的物理網段是相當有限的。

　　3、傳輸速率的區別

　　交換機與網橋資料資訊的傳輸速率相比，交換機要快於網橋。

　　4、資料幀轉發方式的區別

　　網橋在傳送資料幀前，通常要接收到完整的資料幀並執行幀檢測序列FCS後，才開始轉發該資料幀。交換機具有儲存轉發和直接轉發兩種幀轉發方式。直接轉發方式在傳送資料以前，不需要在接收完整個資料幀和經過32bit迴圈冗餘校驗碼CRC的計算檢查後的等待時間。

3. 網路層裝置#

路由器#

路由器的結構，如何轉發資訊的？

參考文章：#

《計算機網路考研複習指導》王道論壇 組編

《計算機網路（第7版）》謝希仁 編著

百度百科 - 網橋

維基百科 - 網路交換機