局域网的中枢—以太网交换机

令牌环网、FDDI、ARCNET等都已成往事，以太网几乎成为了互联网的唯一。

以太网工作原理

局域网要解决的最大问题，无非是多台主句都想在网络上发言，在任何一个时刻，让谁先"发言"的问题。

这就像一个多人会议，没有主持人，而每次发言者只能一个人，可能会出现多个人同时想发言的情况。

为了解决这个问题，比如令牌环网是让这个网络只有一个"令牌"，谁先拿到就谁发言。其缺点是令牌维护难；一个节点出问题就会使得网络失效；新主机入环退环都要暂停令牌环网。

以太网是这样解决发言冲突问题的。如果某台主机想要发送数据(发言)，可以遵照下面步骤运行：

开始：如果线路空闲，则启动传输，否则转到第4步
发送：如果检测到冲突，继续发送数据直到到达最小报文时间(保证所有其他转发器和终端检测到冲突)，再转到第4步
成功传输：向更高层的网络协议报告发送成功，退出传输模式
线路忙：等待，直到线路空闲
线路空闲：等待一个随机的时间，再转到第一步，除非超过最大尝试次数
超过最大尝试传输次数：向更高层的网络协议报告发送失败，退出传输模式

基于以上流程，以太网被设计成总线型的，一根主线贯穿始末，在主线上"分叉"来链接主机。

这一设计简单、快捷、灵活性强，随机可以添加主机、删除主机，方便非专业人士组网。因此，以太网很快流行开来。

这套机制也叫做CSMA/CD（载波侦听多路复用-冲突检测）

从共享主线到交换式

一根主线，被多台主机共享，其工作效率将会被降得很低。而且，这种“一人说、大家听”的特性有安全问题，网络上任何主句都可以选择是否监听线路上传输的所有信息。（这种模式的以太网被称为共享式以太网）。

为改进上面缺点，交换式以太网技术产生了。它能够同时提供多条传输路径，从而显著提高网络的整体带宽，同时也为网络安全性提供了保证。交换式以太网核心设备是以太网交换机，而非共享总线。CSMA-CD仍旧有效，但共享总线模式被彻底颠覆了。

以太网交换机：送别者

交换式以太网需要一种核心设备，能够快速的指导所有进入者，你该从哪个门走，并将进入者"扭送"到出口。这个设备只负责处理以太网信息，因此被称为"以太网交换机"，简称为交换机
这种家伙往往只有一种物理接口----以太网接口。不同的以太网接口，因为接口类型和数量、交换容纳、所处理的协议层等不同而不同。
以太网交换机根据其处理的协议层不同，分为二层交换机、三层交换机、四层交换机… (这里的层指的是ISO/OSI的7层结构)。二层指的是链路层，也就是处理以太网帧的相关操作；三层指的是IP层，处理IP层的操作
- 二层交换机在操作过程中不停地收集资料，并建立它本身的地址表，这个表标明每个MAC地址是在哪个断开上被发现的。当交换机接收到一个数据包时，会检查该数据包的目的地址，检查一下自己的地址表，并决定把数据包从哪个端口发送出去。
- 这与HUB不同，HUB组成的共享式以太网，某个站点发送的数据会出现在HUB所有端口上，不但效率低而且不安全。
- 以太网交换机的引入，使得网络节点可以独占带宽。只有一个例外----对于二层广播报文(比如ARP请求)，二层交换机会对所有主机广播
- 当多个二层交换机用以太网连接起来，二层交换网络上的所有设备都会收到广播信息。如果这个以太网太大，泛滥的广播信息会造成网络效率大幅降低----这就是“广播风暴”
- 解决这个问题的方法，是在一个二层交换网络内进一步划分为多个虚拟的局域网(VLAN)。这里的虚拟是“逻辑”的意思。也就是说，按照一定的逻辑关系将主机划分为若干群组(逻辑组)，和主机所在的物理位置无关。
- 在一个VLAN中，由一台主机发出的信息只能被具有相同虚拟网编号的其他主机接收，局域网的其他成员则收不到这些信息。VLAN也叫做“广播领”
- 一般来讲，局域网之间可以相互通信，无需路由器。但划分VLAN之后，这种情况将发生变化-----在一个以太网内的主机，如果被划分在不同的VLAN中，它们之间必须通过路由设备才能通信
- 从上面可以看出，VLAN解决了“广播风暴”但是成本(路由器)和效率升高了。于是，就引入了三层交换机
- 三层交换机是在二层交换机的基础上增加了三层路由功能。三层交换机的路由查找是针对“流”的，它利用高速缓存技术，在成本不高的情况下实现快速转发。

二层交换机的工作原理

交换机的包接收操作

1、首先，电信号到达网线接口，交换机里的模块进行接收

2、接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号

3、然后通过包末尾的 FCS 校验错误，如果没问题则放到缓冲区。
这部分操作基本和计算机的网卡相同，但交换机的工作方式和网卡不同：

计算机的网卡本身具有 MAC 地址，并通过核对收到的包的接收方 MAC 地址判断是不是发给自己的，如果不是发给自己的则丢弃；
交换机本身不具有MAC地址（但是它有很多端口，每个端口都可以和不同的MAC地址绑定），会直接接收所有（通过包末尾的FCS校验错误的）数据包并放到缓存区中

4、将包存入缓冲区后，接下来在交换机的MAC地址表中查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。

举个例子，如果收到的包的接收方 MAC 地址为 00-02-B3-1C-9C-F9 ，则与图中表中的第 3 行匹配，根据端口列的信息，可知这个地址位于 3 号交换机端口上，然后就可以通过交换电路将包发送到相应的交换机端口了。

当 MAC 地址表找不到指定的 MAC 地址会怎么样？

地址表中找不到指定的 MAC 地址。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。

这样做不会产生什么问题，因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络的，然后只有相应的接收者才接收包，而其他设备则会忽略这个包。 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 MAC 地址表，下次也就不需要把包发到所有端口了。

此外，如果接收方的MAC地址是一个广播地址，那么交换机会将包发送到除了源端口之外的所有端口。

以下两个属于广播地址：

MAC 地址中的 FF:FF:FF:FF:FF:FF
IP 地址中的 255.255.255.255

交换机发送包有两种可能：

目标MAC是子网内主机，发送给子网主机，子网主机就会接收这个包
目标MAC是路由器，路由器接收包之后就可以转发到外网了。

路由器：出境大门

网络包经过交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器或目标设备。

这一步转发的工作原理和交换机类似，也是通过查表判断包转发的目标。

工作原理

路由器的包接送操作

首先，电信号到达网线接口部分，路由器中的模块会将电信号转换成数字信号，然后通过包末尾的FCS进行错误校验

如果没有问题则检测MAC头部中的接收方的MAC地址，看看是不是发给自己的包，如果是就放到接收换粗去中，负责就丢弃这个包。

总的来说，路由器的端口都具有MAC地址，只接收与自身MAC地址匹配的包，遇到不匹配的包则直接丢弃

查询路由表确定输出端口

完成包接收操作之后，路由器就会去掉包开头的MAC头部

MAC头部的作用就是将包送达路由器，其中的接收方MAC地址就是路由器端口的MAC地址。因此，当包到达路由器之后，MAC头部的任务就完成了，于是MAC头部就会被丢弃

接下来，路由器会根据MAC头部后面的IP头部中的内容进行包的转发操作。

首先要查询路由表判断转发目标

具体的工作流程根据上图，举个例子。

假设地址为10.10.1.101的计算机要向地址为 192.168.1.100 的服务器发送一个包，这个包先到达图中的路由器。
判断转发目标的第一步，就是根据包的**接收方 IP **地址查询路由表中的目标地址栏，以找到相匹配的记
录。
路由匹配和前面讲的一样，每个条目的子网掩码和 192.168.1.100IP 做 & 与运算后，得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配，如果匹配就会作为候选转发目标，如果不匹配就继续与下个条目进行路由匹配。
如第二条目的子网掩码255.255.255.0与 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后，得到结果是
192.168.1.0 ，这与第二条目的目标地址 192.168.1.0 匹配，该第二条目记录就会被作为转发目标。
实在找不到匹配路由时，就会选择默认路由，路由表中子网掩码为 0.0.0.0 的记录表示「默认路由」。

路由器的发送操作

接下来就会进入包的发送操作。

首先，我们需要根据路由表的网关列判断对方的地址

如果网关是一个IP弟子，那么这个IP地址就是我们要转发的目标地址，还未到达终点，还需要继续路由器转发
如果网关未空，则IP头部中的接收方IP地址就是要转发到的目标地址，也是就终于找到 IP 包头里的目标地址了，说明已抵达终点。

知道对方的IP地址之后，需要寻找IP地址对应的Mac地址（接收方的MAC地址）

先查询路由器中的ARP缓存，如果找不到就进行下一步
通过ARP协议根据IP地址查询MAC地址，并将查询的结果作为接收方的MAC地址

接下来填写发送方MAC地址：就是输出端口的MAC地址

还有一个以太类型字段：填写0080（十六进制）表示IP协议

网络包完成之后，接下来会将其转换成电信号并通过端口发送出去。

发送出去的网络包会通过交换机到达下一个路由器。由于接收方MAC地址就是下一个路由器的地址，所以交换机会根据这一地址将这一地址将包传输到下一个路由器。

接下来，下一个路由器就会将包转发给再下一个路由器，经过层层转发之后，网络包就到达了最终的目的。

在网络包传输的过程中，源IP和目的IP始终是不会变的，一直编号的是MAC地址，因为需要MAC地址在以太网内进行两个设备之间的包传输

在发送数据包时，如果目标主机不是本地局域网，填入的MAC地址是路由器，也就是把数据包转发给路由器，路由器一直转发下一个路由器，直到转发到目标主机的路由器，发现IP地址是自己局域网内的主机，就会arp请求获取目标主机的MAC地址，从而转发到这个服务器的主机。

路由器能干什么

路由器是组成IP网络的最主要的选路设备
路由器是一个能够让进入其体内的、携带原始信息的数据包选择出口道路的盒子
路由器是一个信息中转站，它能够将不同制式的网络连接在一起。数据可能以各种方式进入路由器，比如以太网帧、ATM信源等。无论采用何种方式，路由器都会把数据打开并进行分析，根据出口线路的类型重新封装到帧何种信元里面。
路由器专门执行各种路由协议，并进行数据包的转发工作
路由器还能做很忙比如安全、VPB、流控、负载均衡等方面的工作
路由器由自己的记忆，其中最关键的记忆，就是它的路由表。
- 每台路由器都可以按照一定的规则动态更新它的路由表(这叫做动态路由)
- 有了这张路由表，从某个断开进来的IP包才能在其指导下正确的选路。

路由器的拥塞

路由器是网络中的交叉路口，信息在线路上传送，是不会引起任何拥塞的，那么拥塞的发生地就一定出现在路口上。这就像道路交通，正常的道路交通，除非车祸等非可控因素，都是在交叉路口，道路出入口才发生拥塞的。

IP包的转发规则

路由器根据IP包的目的IP地址和路由表寻找下一跳的路径，并将该IP包发送到正确的出口，这就是IP包的转发
路由器通过路由协议获得路由表，路由协议分为静态路由协议和动态路由协议
动态路由协议分为内部网关协议和外部网关协议
常见的内部网关协议又RIR3、IS-IS、EIGRP、IGRP等。外部网关协议只有一种：BGP

IP包在IP节点进行下一跳路径的选择，如果IP节点没有明确规定下一跳的路径，那么久按照“缺省路径”所指引的方向行进。这就是IP包的转发规则。

在以太网中，任何一台主机发出的IP包，都有目的IP地址(当然，目的IP地址可能不止一个，比如组播、广播中)。这条计算机自己就能排队，目的IP地址是否属于这个以太网。如果不属于同一个以太网段，主机将首先把这个包发送到“缺省网关”那里

缺省网关一定是属于这个以太网段的，因为主机必须通过地址解析法找到缺省网关。大部分情况下，缺省网关是这个以太网的出口路由器。

当IP到达出口路由器，路由工作才真正开始：路由器查看这个包的目的IP地址，并检索自身的路由表，根据对应的路由表项。把它从合适的出口送出去。

路由器是通过路由协议来获取路由表的

路由器和交换机的区别

因为路由器是基于 IP 设计的，俗称三层网络设备，路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址；
而交换机是基于以太网设计的，俗称二层网络设备，交换机的端口不具有 MAC 地址。

感觉：路由器就像一个很小很小的主机，数据包通过交换机这个跳板在“主机”之间流动

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