一文讀懂 | 集線器、交換機(jī)和路由器原理

qiaomin7777 2021-07-01

展開全文

網(wǎng)絡(luò)通信

前面小哥跟大家介紹了在Linux平臺的的UDP和TCP的多線程編程等等，采用的編程模型一般是客戶端與服務(wù)器模型(C/S模型)。

而前面的知識只是學(xué)習(xí)了一臺主機(jī)到另外一臺主機(jī)的通信過程，或者說應(yīng)用程序之間的通信，而實際報文是如何通過交換器或者路由器進(jìn)行傳遞的呢?

如上圖所示，是一種常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，主機(jī)通過交換器，再經(jīng)過路由器等最終可以訪問到右側(cè)服務(wù)器。

那么從今天小哥就跟大家一步一步講解這中間的一些過程。

當(dāng)然在學(xué)習(xí)的過程中，一般不太可能在現(xiàn)實環(huán)境中搭建這樣的平臺，如果你有這樣的條件也是可以的，通過抓包工具進(jìn)行測驗學(xué)習(xí)。

但是更加方便的是使用一些網(wǎng)絡(luò)的仿真工具進(jìn)行測試、仿真所搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ?，比如常用的PacketTracer工具等。

集線器Hub

如下是集線器常用的拓?fù)湫问?

集線器可把多臺主機(jī)互聯(lián)到同一網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)中，具體集線器是如何工作的，我們以PC1 ping PC2為例講解該過程，從而解釋集線器的工作內(nèi)容。

PC1 ping PC2

PC1使用ping命令主要采用ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議向PC2發(fā)送報文，而ICMP在IP層之上，可以認(rèn)為其也在網(wǎng)絡(luò)層。

那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層的報文發(fā)往鏈路層，其需要通過目的主機(jī)IP獲得對應(yīng)的目的主機(jī)mac地址，而每個主機(jī)都有自己的一張arp表，即目的IP地址與mac地址映射的表格，在windows的cmd命令欄中可以輸出arp -a進(jìn)行該表的查詢。

在首次通信的過程中并沒有對應(yīng)的映射數(shù)據(jù)的存在，所以當(dāng)ICMP報文下發(fā)到鏈路層以后，其在對應(yīng)的arp表中無法尋找到目的主機(jī)對應(yīng)的mac地址。(注意 : ICMP報文發(fā)請求和應(yīng)答都是單播)

為了獲得目的主機(jī)的mac地址，鏈路層會使用arp協(xié)議(也叫地址解析協(xié)議)進(jìn)行廣播獲得對應(yīng)的mac地址，目的主機(jī)ip地址相同的主機(jī)會進(jìn)行單播應(yīng)答，其他主機(jī)會丟棄，從而更新本主機(jī)的arp表，以便后續(xù)使用。

小知識:

上圖的時間表示的是網(wǎng)絡(luò)延時，因為回復(fù)和發(fā)送都需要傳輸時間；TTL表示生命周期，一把是64或者128，單向每經(jīng)過一個路由器其TTL數(shù)值會減1，如果TTL在傳輸過程中降為0了就會被丟棄。

集線器Hub工作原理

從上面的通信過程我們可以知道，通過集線器發(fā)出的數(shù)據(jù)均為轉(zhuǎn)發(fā)到連接在集線器上的其他設(shè)備上。

但需要注意的是:

1、其不是廣播，而僅僅只是一種轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)目的mac并不是8個FF。

2、集線器其工作在物理層，并且是共享帶寬，如下圖所示:

由于集線器是工作在物理層，幾乎是無條件轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以每個設(shè)備會平分集線器的帶寬，比如40M的帶寬，那么4臺主機(jī)，每臺主機(jī)的帶寬就只有1/4=10M。

3、功率放大功能，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸都是會被衰減的，那么集線器為了更好的轉(zhuǎn)發(fā)，集線器會使用自身電源來對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而使得更加穩(wěn)定的傳輸。

交換機(jī)

前面小哥跟大家介紹了一下集線器的工作原理，其大致功能就是在物理層直接轉(zhuǎn)發(fā)所有的數(shù)據(jù)到所連設(shè)備，今天來看看交換機(jī)。

交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的接法與交換機(jī)類似，多臺主機(jī)連接到一臺交換機(jī)上從而可以實現(xiàn)相互之間的信息交互。

但是交換機(jī)與集線器最直觀的不同就是其工作來鏈路層，相關(guān)報文數(shù)據(jù)只會轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的設(shè)備，而不會進(jìn)行無條件轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)原理示例

同樣我們還是以之前的ping命令為例來簡單介紹下:

當(dāng)PC1 ping PC2的時候，首次報文分別是ICMP和ARP報文，通過ARP廣播獲得對應(yīng)目的IP的mac地址填充到自身ARP表中。

上圖是不同協(xié)議報文的大致流向，與前面介紹的集線器不同是PC1和與PC2之間的交互報文不會再經(jīng)過交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到無關(guān)的PC3和PC4。

就好像交換器知道對應(yīng)主機(jī)的mac地址，然后進(jìn)行相應(yīng)的識別轉(zhuǎn)發(fā)，這也是說為什么交換器工作在鏈路層的原因，所以也叫二層交換機(jī)(二層為鏈路層)，當(dāng)然還有一些交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)層中增加了新的功能，比如三層交換機(jī)(具有網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)功能，如VLAN虛擬局域網(wǎng)劃分)、四層交換機(jī)(具有傳輸層的相應(yīng)功能，如端口映射功能)

交換機(jī)總結(jié)

交換機(jī)主要工作在鏈路層，原因是其在主機(jī)通信的過程中會記錄通信過程中的相應(yīng)信息，比如mac地址等。

當(dāng)下一次主機(jī)有數(shù)據(jù)需要外發(fā)，那么交換機(jī)會識別報文的目的地址根據(jù)之前所記錄的信息進(jìn)行對應(yīng)連接端口的轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)然如果是廣播幀交換機(jī)也會廣播到所有的端口，一種類似于自動適應(yīng)、學(xué)習(xí)的機(jī)制。

所以交換機(jī)其網(wǎng)絡(luò)帶寬幾乎不再是共享了，除非交換機(jī)處理能力有限。

路由器

前面小哥跟大家介紹了一下集線器和交換機(jī)的工作原理，今天該帶來大家非常熟悉的路由器了，熟悉歸熟悉，路由器在網(wǎng)絡(luò)中到底是怎樣工作的，估計還有一些朋友不是特別了解的。

集線器和交換機(jī)大部分都只能工作在同一網(wǎng)段，如何從一個網(wǎng)段訪問到另外一個網(wǎng)段呢？這個時候就需要使用到我們的路由器。

路由器也叫做網(wǎng)關(guān)設(shè)備(Gateway),它是不同網(wǎng)段通信的橋梁。

上圖源于網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)參考，侵刪

如上圖所示應(yīng)該是大家非常熟悉的示意圖了，目前大部分的路由器都是路由器+交換機(jī)的模式，WLAN口用于接外網(wǎng)，LAN口連接到當(dāng)前局域網(wǎng)，一般LAN口有多個，為了滿足用戶可以多臺主機(jī)設(shè)備鏈接到當(dāng)前局域網(wǎng)。

值得注意的是路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，通過IP地址來識別網(wǎng)段進(jìn)行處理。

網(wǎng)關(guān)

一個網(wǎng)段連接到路由器上的位置，我們稱為網(wǎng)關(guān)，訪問其他網(wǎng)段的主機(jī)就必須要通過這個網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，你可以把路由器上的網(wǎng)關(guān)看成是一個轉(zhuǎn)發(fā)的主機(jī)，它也有其IP地址，一般我們設(shè)置為該網(wǎng)段常規(guī)IP地址的最大值或者最小值(如掩碼為255.255.255.0則一般選192.168.1.254或者192.168.1.1)。

比如在windows中的網(wǎng)關(guān)配置：

路由器工作詳解

路由器其實內(nèi)部存在多塊網(wǎng)卡，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)可以看成從一張網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)到另外一張網(wǎng)卡并進(jìn)行發(fā)送。

當(dāng)一臺主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其他網(wǎng)段的主機(jī)或者服務(wù)器，首先網(wǎng)絡(luò)層判斷是否是本局域網(wǎng)網(wǎng)段IP，如果不是，就把數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)層發(fā)往鏈路層，在鏈路層中首先查找本機(jī)的arp表中是否存在網(wǎng)關(guān)的mac地址，如果沒有找到網(wǎng)關(guān)的mac地址，就會使用arp協(xié)議廣播數(shù)據(jù)從而獲得網(wǎng)關(guān)的mac地址并更新ARP表，然后把所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，其中網(wǎng)關(guān)的mac地址作為目的mac地址進(jìn)行發(fā)送。

這里我們以PC1向另外一個網(wǎng)段中的PC5發(fā)送報文，數(shù)據(jù)到達(dá)鏈路層以后會判斷不是當(dāng)前網(wǎng)段IP，所以會封裝網(wǎng)關(guān)的mac地址，從而發(fā)到對應(yīng)網(wǎng)關(guān)，也就是上圖中的192.168.1.3的網(wǎng)卡，那么路由器接收到該數(shù)據(jù)以后該如何轉(zhuǎn)發(fā)呢？

路由器首先會判斷報文的目的IP是否在該路由器所擁有的網(wǎng)關(guān)接口處于同一網(wǎng)段，如果有則直接轉(zhuǎn)發(fā)，所以PC1所發(fā)的報文路由器會直接轉(zhuǎn)發(fā)給PC5。

那如果PC1發(fā)送報文給PC4，對于路由器該如何處理呢?

同樣與前面的的PC1訪問PC5類似，路由器1通過接收到的目的IP查找是否有接口的網(wǎng)段匹配，如果找不到就通過查找路由器中的路由表(類似于路標(biāo))根據(jù)目的IP網(wǎng)段找到所要轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)接口即下一跳地址(Next Hop)，此時報文的目的mac地址為下一跳的地址，而源地址為當(dāng)前接口的mac地址，如果在下一個路由器還沒有找到對應(yīng)的網(wǎng)段，路由器會重復(fù)上面的過程根據(jù)路由表繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

同樣當(dāng)數(shù)據(jù)報文從PC4應(yīng)答PC1相應(yīng)的路由器2也會在路由表中存在相應(yīng)網(wǎng)段對應(yīng)的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)。

值得注意的是：在不同的網(wǎng)段中報文中的IP地址是不會發(fā)生變化的，也就是目的IP和源IP不會發(fā)生改變，只是對應(yīng)的MAC地址發(fā)生變化。

前面小哥跟大家說過路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，IP表示著對應(yīng)的主機(jī)，一旦變化則無法再識別，而mac地址只是標(biāo)識對應(yīng)的物理通信硬件，所以不同網(wǎng)段的報文發(fā)送需要經(jīng)過不同的設(shè)備，自然就需要改變報文中的mac地址來進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

所以當(dāng)你要在不同網(wǎng)段訪問其他主機(jī)或者設(shè)備就需要中間加入路由器。

最后

小哥文章寫得淺顯易懂，大家可以關(guān)注學(xué)習(xí)~

嵌入式情報局

集單片機(jī)與linux于一身的技術(shù)號，深漂三年仍成功上岸研究生，這里不僅有技術(shù)還有故事，只為分享全面的嵌入式知識和深度的職場趣事，主要話題有：C/C++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、MCU、嵌入式Linux 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，期待大家的持續(xù)關(guān)注！

119篇原創(chuàng)內(nèi)容

公眾號