計算機網(wǎng)絡中，有幾個通信設備或者說網(wǎng)絡設備名詞出現(xiàn)的頻率相當?shù)母撸鼈兪牵褐欣^器、集線器、網(wǎng)橋、交換機、路由器和網(wǎng)關?，F(xiàn)在梳理一下它們各自的含義和作用，以及它們之間的聯(lián)系。這些網(wǎng)絡設備對于實際工作中并不全面，比如現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了三層交換機、四層交換機，但是理念是基本共通的。

OSI七層模型

首先回顧下OSI七層模型

OSI分層（7層）：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡層，傳輸層，會話層，表示層，應用層。

TCP/IP分層（4層）：網(wǎng)絡接口層，網(wǎng)際層，運輸層，應用層

五層協(xié)議（5層）：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡層，運輸層，應用層

物理層設備

中繼器

中繼器（RP repeater）又稱轉發(fā)器，主要功能是將信號整形并放大再轉發(fā)出去，以消除信號經(jīng)過一長段電纜后，因噪聲或其他原因而造成的失真和衰減，使信號的波形和強度達到所需要的要求，進而擴大網(wǎng)絡傳輸?shù)木嚯x。
原理
信號再生（而非簡單地將衰減的信號放大）。中繼器有兩個端口，數(shù)據(jù)從一個端口輸入，再從另一個端口發(fā)出。端口僅作用于信號的電氣部分，而不管數(shù)據(jù)中是否有錯誤數(shù)據(jù)或不適于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。
中繼器是局域網(wǎng)環(huán)境下用來擴大網(wǎng)絡規(guī)模的最簡單、最廉價的互聯(lián)設備。使用中繼器連接的幾個網(wǎng)段仍然是一個局域網(wǎng)。一般情況下，中繼器的兩端連接的是相同的媒體，但有的中繼器也可以完成不同媒體的轉接工作。但由于中繼器工作在物理層，因此它不能連接兩個具有不同速率的局域網(wǎng)。中繼器兩端的網(wǎng)絡部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)。中繼器若出現(xiàn)故障，對相鄰兩個網(wǎng)段的工作都將產(chǎn)生影響。
它屬于一種模擬設備，用于連接兩根電纜段。中繼器不理解幀、分組和頭的概念，他們只理解電壓值。

問題：中繼器是否可以無限使用？

在采用粗同軸電纜的10BASE5 以太網(wǎng)規(guī)范中，互相串聯(lián)的中繼器的個數(shù)不能超過4 個，而且用4 個中繼器串聯(lián)的5 段通信介質(zhì)中只有3段可以掛接計算機，其余兩段只能用作擴展通信范圍的鏈路段，不能掛接計算機。這就是"5-4-3 規(guī)則”

集線器

集線器(Hub) 實質(zhì)上是一個多端口的中繼器，它也工作在物理層。當Hub工作時，一個端口接收到數(shù)據(jù)信號后，由于信號在從端口到Hub 的傳輸過程中已有衰減，所以Hub便將該信號進行整形放大，使之再生（恢復）到發(fā)送時的狀態(tài)，緊接著轉發(fā)到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態(tài)的端口。如果同時有兩個或多個端口輸入，那么輸出時會發(fā)生沖突，致使這些數(shù)據(jù)都無效。從Hub 的工作方式可以看出，它在網(wǎng)絡中只起信號放大和轉發(fā)作用，目的是擴大網(wǎng)絡的傳輸范圍，而不具備信號的定向傳送能力，即信號傳輸?shù)姆较蚴枪潭ǖ?，是一個標準的共享式設備。

Hub 主要使用雙絞線組建共享網(wǎng)絡，是從服務器連接到桌面的最經(jīng)濟方案。在交換式網(wǎng)絡中，Hub 直接與交換機相連，將交換機端口的數(shù)據(jù)送到桌面上。使用Hub 組網(wǎng)靈活，它把所有結點的通信集中在以其為中心的結點上，對結點相連的工作站進行集中管理，不讓出問題的工作站影響整個網(wǎng)絡的正常運行，并且用戶的加入和退出也很自由。

由Hub組成的網(wǎng)絡是共享式網(wǎng)絡，但邏輯上仍是一個總線網(wǎng)。Hub的每個端口連接的網(wǎng)絡部分是同一個網(wǎng)絡的不同網(wǎng)段。同時Hub也只能在半雙工狀態(tài)下工作，網(wǎng)絡的吞吐率因而受到限制。

問題：連接到一臺集線器的多臺計算機如何工作

多臺計算機必然會發(fā)生同時通信的情形，因此集線器不能分割沖突域，所有集線器的端口都屬于同一個沖突域。集線器在一個時鐘周期中只能傳輸一組信息，如果一臺集線器連接的機器數(shù)目較多，且多臺機器經(jīng)常需要同時通信，那么將導致信息碰撞，使得集線器的工作效率很差。比如，一個帶寬為10Mb/s的集線器上連接了8 臺計算機，當這8 臺計算機同時工作時，每臺計算機真正所擁有的帶寬為10/8Mb/s = 1.25Mb/s 。

數(shù)據(jù)鏈路層設備

網(wǎng)橋

網(wǎng)橋(Bridge)是一個局域網(wǎng)與另一個局域網(wǎng)之間建立連接的橋梁。是早期的兩端口二層網(wǎng)絡設備。網(wǎng)橋的兩個端口分別有一條獨立的交換信道，不是共享一條背板總線，可隔離沖突域。網(wǎng)橋比集線器（Hub）性能更好，集線器上各端口都是共享同一條背板總線的。后來，網(wǎng)橋被具有更多端口、同時也可隔離沖突域的交換機（Switch）所取代。

雖然網(wǎng)橋和集線器長得很像，但是網(wǎng)橋處理數(shù)據(jù)的對象是幀，所以它是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設備，中繼器、放大器處理數(shù)據(jù)的對象是電氣信號，所以它是工作在物理層的設備。

兩個或多個以太網(wǎng)通過網(wǎng)橋連接后，就成為一個覆蓋范圍更大的以太網(wǎng)，而原來的每個以太網(wǎng)就稱為一個網(wǎng)段。網(wǎng)橋工作在鏈路層的MAC子層，可以使以太網(wǎng)各網(wǎng)段成為隔離開的沖突域。如果把網(wǎng)橋換成工作在物理層的轉發(fā)器，那么就沒有這種過濾通信量的功能。由于各網(wǎng)段相對獨立，因此一個網(wǎng)段的故障不會影響到另一個網(wǎng)段的運行。

網(wǎng)橋的缺點

增大了時延（存儲轉發(fā)）

MAC子層沒有流量控制功能（流量控制要用到編號機制，編號機制的實現(xiàn)在LLC子層）

不同的MAC子層的網(wǎng)段橋接在一起時，需要進行幀格式的轉換

網(wǎng)橋只適合用戶數(shù)不多和通信量不大的局域網(wǎng)，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞，這就是所謂的網(wǎng)絡風暴

網(wǎng)橋的分類

使用源路由網(wǎng)橋可以利用最佳路由。若在兩個以太網(wǎng)之間使用并聯(lián)的源路由網(wǎng)橋，則還可使通信量較平均地分配給每個網(wǎng)橋。

采用透明網(wǎng)橋時，只能使用生成樹，而使用生成樹一般并不能保證所用的路由是最佳的，也不能在不同的鏈路中進行負載均衡。

局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）交換機

橋接器的主要限制是在任一時刻通常只能執(zhí)行一個幀的轉發(fā)操作，于是出現(xiàn)了局域網(wǎng)交換機，又稱以太網(wǎng)交換機。從本質(zhì)上說，以太網(wǎng)交換機是一個多端口的網(wǎng)橋，它工作在數(shù)據(jù)鏈路層。交換機能經(jīng)濟地將網(wǎng)絡分成小的沖突域，為每個工作站提供更高的帶寬。以太網(wǎng)交換機對工作站是透明的，因此管理開銷低廉，簡化了網(wǎng)絡結點的增加、移動和網(wǎng)絡變化的操作。

局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）交換機原理

以太網(wǎng)交換機的原理是，它檢測從以太端口來的數(shù)據(jù)幀的源和目的地的MAC (介質(zhì)訪問層） 地址，然后與系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)查找表（自學習）進行比較，若數(shù)據(jù)幀的MAC 地址不在查找表中，則將該地址加入查找表，并將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給相應的目的端口。

以太網(wǎng)交換機的特點

以太網(wǎng)交換機的每個端口都直接與單臺主機相連（普通網(wǎng)橋的端口往往連接到以太網(wǎng)的一個網(wǎng)段），并且一般都工作在全雙工方式。

以太網(wǎng)交換機能同時連通許多對端口，使每對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)交換機也是一種即插即用設備（和透明網(wǎng)橋一樣），其內(nèi)部的幀的轉發(fā)表也是通過自學習算法自動地逐漸建立起來的。

以太網(wǎng)交換機由于使用了專用的交換結構芯片，因此交換速率較高。

以太網(wǎng)交換機獨占傳輸媒體的帶寬。

對于普通l0Mb/s 的共享式以太網(wǎng)，若共有N 個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶 寬(l0Mb/s) 的1/N。在使用以太網(wǎng)交換機時，雖然從每個端口到主機的帶寬還是10Mb/s, 但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網(wǎng)絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此擁有N 對端口的交換機的總容量為N*10Mb/s 。這正是交換機的最大優(yōu)點。
以太網(wǎng)交換機一般都具有多種速率的端口，例如可以具有10Mb/s 、l00Mb/s 和lGb/s 的端口的各種組合，因此大大方便了各種不同情況的用戶。

以太網(wǎng)交換機的兩種交換模式

直通式交換機只檢查幀的目的地址，這使得幀在接收后幾乎能馬上被傳出去。這種方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也無法支持具有不同速率的端門的交換。

存儲轉發(fā)式交換機先將接收到的幀緩存到高速緩存器中，并檢查數(shù)據(jù)是否正確，確認無誤后通過查找表轉換成輸出端口將該幀發(fā)送出去。如果發(fā)現(xiàn)幀有錯，那么就將其丟棄。存儲轉發(fā)式的優(yōu)點是可靠性高，并能支持不同速率端口間的轉換，缺點是延遲較大。

網(wǎng)絡層設備

路由器

路由器是一種具有多個輸入／輸出端口的專用計算機，其任務是連接不同的網(wǎng)絡（連接異構網(wǎng)絡）并完成路由轉發(fā)。在多個邏輯網(wǎng)絡（即多個廣播域）互聯(lián)時必須使用路由器。

這里說路由器是一種具有多個輸入／輸出端口的專用計算機，所以只要安裝相關的軟件，使普通的電腦也可以變成路由器，如m0n0wall 、GNU Zebra；絕大多數(shù)UNIX類的操作系統(tǒng)包含所有進行路由所必須的軟件。

當源主機要向目標主機發(fā)送數(shù)據(jù)報時，路由器先檢查源主機與目標主機是否連接在同一個網(wǎng)絡上。如果源主機和目標主機在同一個網(wǎng)絡上，那么直接交付而無須通過路由器。如果源主機和目標主機不在同一個網(wǎng)絡上，那么路由器按照轉發(fā)表（路由表）指出的路由將數(shù)據(jù)報轉發(fā)給下一個路由器，這稱為間接交付?？梢?，在同一個網(wǎng)絡中傳遞數(shù)據(jù)無須路由器的參與，而跨網(wǎng)絡通信必須通過路由器進行轉發(fā)。例如，路由器可以連接不同的LAN, 連接不同的VLAN, 連接不同的WAN, 或者把LAN 和WAN 互聯(lián)起來。路由器隔離了廣播域。

注：如果一個存儲轉發(fā)設備實現(xiàn)了某個層次的功能，那么它就可以互聯(lián)兩個在該層次上使用不同協(xié)議的網(wǎng)段（網(wǎng)絡）。如果網(wǎng)橋實現(xiàn)了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，那么網(wǎng)橋可以互聯(lián)兩個物理層和數(shù)據(jù)鏈路層不同的網(wǎng)段；但中繼器實現(xiàn)了物理層后，卻不能互聯(lián)兩個物理層同的網(wǎng)段，這是因為中繼器不是存儲轉發(fā)設備，它屬于直通式設備。

路由器的體系結構

路由選擇部分也稱控制部分，其核心構件是路由選擇處理機。路由選擇處理機的任務是根據(jù) 所選定的路由選擇協(xié)議構造出路由表，同時經(jīng)?；蚨ㄆ诘睾推渌噜徛酚善鹘粨Q路由信息而不斷更新和維護路由表。

分組轉發(fā)部分由三部分組成：交換結構、一組輸入端口和一組輸出端口。輸入端口在從物理 層接收到的比特流中提取出鏈路層幀，進而從幀中提取出網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)報，輸出端口則執(zhí)行恰好相反的操作。交換結構是路由器的關鍵部件，它根據(jù)轉發(fā)表對分組進行處理，將某個輸入端口進入的分組從一個合適的輸出端口轉發(fā)出去。有三種常用的交換方法：通過存儲器進行交換、通過總線進行交換和通過互聯(lián)網(wǎng)絡進行交換。交換結構本身就是一個網(wǎng)絡。

轉發(fā)和路由選擇的區(qū)別

“轉發(fā)”是路由器根據(jù)轉發(fā)表把收到的IP數(shù)據(jù)報從合適的端口轉發(fā)出去，它僅涉及一個路由器。
“路由選擇”則涉及很多路由器，路由表是許多路由器協(xié)同工作的結果。這些路由器按照復雜的路由算法，根據(jù)從各相鄰路由器得到的關于網(wǎng)絡拓撲的變化情況，動態(tài)的改變所選擇的路由，并由此構造出整個路由表。

網(wǎng)橋和路由器的區(qū)別

網(wǎng)橋只能連接兩個邏輯相同的網(wǎng)絡（它相當于一個二層交換機），而路由器可以連接不同網(wǎng)絡；網(wǎng)橋就是把不同物理位置的機器組成一個大的局域網(wǎng)，連接的多個網(wǎng)絡屬于同一個局域網(wǎng)；網(wǎng)橋連接的兩個網(wǎng)絡在邏輯上屬于同一個局域網(wǎng)，但可以是不同策略的網(wǎng)絡，如以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)；路由器可以連接不同的網(wǎng)絡，連接的網(wǎng)絡之間可以說沒什么關系，是獨立的；

網(wǎng)橋基于 MAC 地址轉發(fā)，路由器基于 IP 轉發(fā)；

網(wǎng)橋不隔離廣播，而路由器可以隔離廣播；

網(wǎng)橋工作在鏈路層，路由器工作在網(wǎng)絡層；

網(wǎng)絡層之上的設備：網(wǎng)關

網(wǎng)關（Gateway） 就是一個網(wǎng)絡連接到另一個網(wǎng)絡的“關口”。也就是網(wǎng)絡關卡。

網(wǎng)關(Gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器。默認網(wǎng)關在網(wǎng)絡層上以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是最復雜的網(wǎng)絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連。網(wǎng)關的結構也和路由器類似，不同的是互連層。網(wǎng)關既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。

注：由于歷史的原因，許多有關TCP/IP的文獻曾經(jīng)把網(wǎng)絡層使用的路由器稱為網(wǎng)關，在今天很多局域網(wǎng)采用都是路由來接入網(wǎng)絡，因此通常指的網(wǎng)關就是路由器的IP！

網(wǎng)關實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡通向其他網(wǎng)絡的IP地址。

假設有網(wǎng)絡A和網(wǎng)絡B，網(wǎng)絡A的IP地址范圍為“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；網(wǎng)絡B的IP地址范圍為“192.168.2.1~192.168.2.254”，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。
在沒有路由器的情況下，兩個網(wǎng)絡之間是不能進行TCP/IP通信的，即使是兩個網(wǎng)絡連接在同一臺交換機(或集線器)上，TCP/IP協(xié)議也會根據(jù)子網(wǎng)掩碼(255.255.255.0)判定兩個網(wǎng)絡中的主機處在不同的網(wǎng)絡里。

要實現(xiàn)這兩個網(wǎng)絡之間的通信，則必須通過網(wǎng)關。如果網(wǎng)絡A中的主機發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的目的主機不在本地網(wǎng)絡中，就把數(shù)據(jù)包轉發(fā)給它自己的網(wǎng)關，再由網(wǎng)關轉發(fā)給網(wǎng)絡B的網(wǎng)關，網(wǎng)絡B的網(wǎng)關再轉發(fā)給網(wǎng)絡B的某個主機。網(wǎng)絡B向網(wǎng)絡A轉發(fā)數(shù)據(jù)包的過程。

對默認網(wǎng)關，其意思是一臺主機如果找不到可用的網(wǎng)關，就把數(shù)據(jù)包發(fā)給默認指定的網(wǎng)關，由這個網(wǎng)關來處理數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)在主機使用的網(wǎng)關，一般指的是默認網(wǎng)關。

網(wǎng)關實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡通向其他網(wǎng)絡的IP地址，網(wǎng)關在網(wǎng)段內(nèi)的可用ip中選一個，不過，一般用的是第1個和最后一個。

網(wǎng)絡設備常見問題

交換機和路由器的區(qū)別

交換機

用于同一網(wǎng)絡內(nèi)部數(shù)據(jù)的快速傳輸

轉發(fā)決策通過查看二層頭部完成

轉發(fā)不需要修改數(shù)據(jù)幀

工作在 TCP/IP 協(xié)議的二層 —— 數(shù)據(jù)鏈路層

工作簡單，直接使用硬件處理

路由器

用于不同網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)絡傳輸

轉發(fā)決策通過查看三層頭部完成

轉發(fā)需要修改 TTL ，IP 頭部校驗和需要重新計算，數(shù)據(jù)幀需要重新封裝

工作在 TCP/IP 協(xié)議的三層 —— 網(wǎng)絡層

工作復雜，使用軟件處理

為什么有時候還要在路由器的后面先接1臺交換機再接計算機

路由器是可以直接接電腦等終端設備，為什么標準都是路由器接交換機然后再接電腦等終端，是因為路由器本來就是一個路由設備，用來選路的，不適合大量的數(shù)據(jù)交換，交換機是用來大量數(shù)據(jù)交換的，終端在內(nèi)網(wǎng)的性質(zhì)就是需要使用交換機，所以標準就是路由器地下接交換機的形式。一般是情況就是在路由器下面接交換機，路由器主要起數(shù)據(jù)轉發(fā)，也就是尋址、路由的功能，交換機起到用戶接入的目的。但是家用的路由器的話直接就接計算機就可以了，而不必考慮再接交換機。

審核編輯 ：李倩