从浏览器输入网址到显示网站页面之间到底发生了什么？系列（四）

  我们已经了解了在客户端中的协议栈和网卡，也介绍了发送网络包以及如何将网络包在网卡中转换成光（电）信号从网线传输出去，所以，我们这一篇文章开始重点讲解集线器，交换机，路由器这三个网络设备。在数据传输过程中，它们担任着十分重要的角色。先从集线器讲起。

 集线器

  集线器（又称Hub）是工作在物理层的一种网络设备。它类似一种集合中转站，具有多个端口连接多台主机，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点几种在以它为中心的节点上，我们知道，信号在网线的传输过程是会受到干扰的，如噪声的干扰，学过通信原理的同学不会陌生，通俗点说网线越长，传输距离越长，信号就会衰减的越多，甚至会失真，普通的网线（像双绞线）一般超过一百米就有一定的衰减了，（我们一般用的网线有三种，分别是光纤这种比较贵的但是速度最快的，还有普通的双绞线和以及比较耐用的同轴电缆，同轴电缆一般用于电视监控。）
（1）集线器的工作原理它属于一种中心设备，一般来说集线器是使用在局域网中的，假设一台集线器接了八台主机，当主机1发送信号到达集线器后，集线器会对信号进行广播，其他七台主机都会收到消息，但是它们会根据Mac地址查看是不是发给自己的 ，如果不是就忽略它。它只会原封不动对信号进行广播，就算信号失真了（通俗说就是信号衰弱了，判断不出某个比特是1还是0）.它还是照常发送。举个例子，快递员不会对包裹的东西进行查看，他不知道里面送的是什么，就算里面的东西坏了他也不晓得，他只会把他送到目的地。那么检测包是否有错的机制在哪呢？你忘了吗？其实数据帧尾部的FCS（帧检验序列）才是用来检测错误的，如果包有错误，位于协议栈的TCP模块就会要求对该包进行重发。（2）集线器的特点集线器（多口中继器）是属于半双工模式的，也就是说不能同时进行数据的发送与接收，而且是共享带宽的，也就是说，集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，一个100M的带宽的Hub,有十个端口，那么这十个端口就共享这100M,平均来说每个端口为10M。再举个简单的例子，有一百块工资，你有十个员工，实际上帮你干了活的只有一个员工，但是你还是要把100块平分给这十个人，是不是感觉很不合理。为了搞定这种不合理，后面才有交换式中继器（也就是交换机）的出现。

 交换机（switch）

  交换机就不会像集线器那样傻瓜式广播了，（其实我们现在都不用集线器了），他会进行有目的转发，是工作在数据链路层的，交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。我们知道在使用Vmvare虚拟机的时候有一种网络模式叫桥接，那么桥接是什么呢？
 桥接：  定义：桥接网络是指本地物理网卡
b1b2
和虚拟网卡通过VMnet0虚拟交换机进行桥接，物理网卡和虚拟网卡在拓扑图上处于同等地位，也就是说物理网卡和虚拟网卡就相当于处于同一个网段，虚拟交换机就相当于一台现实网络中的交换机,所以两个网卡的IP地址也要设置为同一网段。
  通过桥接，我们可以让虚拟机使用不用认证的网络，（锐捷的不行，如果你使用了桥接模式，虚拟机也会让你认证锐捷，然后把物理机的踢掉），但是在学校想让虚拟机能上网也是可以的，去连上学校的WiFi然后虚拟机网络模式选择NAT模式就行了。哈哈这些都是闲话啦。现在继续说交换机。
（1）交换机的原理  前面我们说，交换机会进行有选择性的转发，那是因为在交换机内部有一张Mac地址和端口对应的表，表的大概结构为：

MAC地址	端口	控制信息
00-60-97-A5-43-3C	2	...
00-00-C0-16-AE-FD	7	...
00-02-B3-1C-9C-F9	8	...
...	,..	...

  所以我们只要根据Mac地址就可以知道这个数据帧应该使用哪个端口进行转发，但是数据到达交换机后并不会马上进行转发，而是先会暂时放在缓冲池中，跟网卡不一样的是，交换机的端口没有Mac地址，，所以它不会对发送给他的包进行查看是不是发给自己的，而是会全盘接收，但是根据对应表进行转发，这时候可能有人会问，难道这个表一开始就有的吗？难道所有的目的MAC地址都会有对应的端口记录吗？这个问题提的十分不错，其实，这个Mac地址表也是慢慢形成的，如果有没有在这个表中记录的目的Mac地址，那么它会像集线器那样进行傻瓜式广播，当获取到响应包后，再把这个地址记录写进这个表中，而且这个表的记录也不是永远不变的，它会定时的进行删除。 （2）交换机的特点 交换机是工作在数据链路层的设备，而且是全双工模式的，也就是说它可以同时进行数据的发送和接收，并且它是独享宽带的，也就是说一百块终于不用平分了，谁干活就给谁，并且交换机可以同时执行多个转发操作，这是什么意思呢？因为交换机只将包转发给具有特定MAC地址的设备连接的端口，那么其他的端口不就是空闲的，这些端口也可以转发其他的包啊，这样的话效率不是更高，路口那么多个，只用一个不是很傻。集线器就没办法了，因为它要广播，也就是同样的包每个路口都要送一个，如果同时输入多个信号，也就是同个时刻两辆车出入，就会发生碰撞了。所以整体来说，交换机是比集线器优异很多的。但是无论是交换机还是集线器都是在同个局域网工作的？快递公司送包裹又不能只送一个地区的，得跨省啊，那怎么办？没事，这时候，路由器该出来了。

路由器（Route）

  路由器根据实际用途分为很多种，一般我们最常见的就是几百块的家用路由器了，如上图，实际上企业上使用的路由器比这个高级多了，而且功能齐全，还有防火墙那些机制，但是为了大家看起来比较熟悉，我找了一张家用路由器的图。那么路由器是什么呢?实际上它是连接外网的一种设备，不同子网之间的数据传输必须使用路由器来进行转发。有看过自己家的了路由器的铜须知道，它有着两种端口，一种叫LAN端口，一种叫WAN端口，LAN就是局域网的意思啦，我们一种把外面的接口连接到WAN,自己家的设备接到LAN，每个LAN都有自己的IP地址分配，类似于同个大网段的不同子网一样，估计有很多人已经十分了解路由器的简单配置了，其实我也没怎么见过企业级的路由器是长啥样的，但是他们的主要功能还是一样的。
（1） 路由器的原理    当网络包经过了集线器和交换机后，如果想和不同网段的主机进行通信，那么就需要路由器对其进行转发，那么路由的转发原理是什么呢？
 其实就是路由表，类似与交换机，不过交换机是基于以太网设计的，而路由器是基于ip设计的，也就是说，路由器转发的原理是通过ip首部的目标ip地址来进行匹配端口转发的，那么路由表是长什么样的呢？大致如下，

目标地址	子网掩码	网关	接口	跃点数
10.10.1.0	255.255.255.0	--------	e2	1
10.10.1.101	255.255.255.255	--------	e2	1
192.168.1.0	255.255.255.0	--------	e3	1
192.168.1.10	255.255.255.255	---------	e3	1
0.0.0.0	0.0.0.0	192.0.2.1	e1	1

路由器转发的时候只会匹配网络号，而忽略主机号，那要怎么看懂这个表呢？我这里简单讲解一下，首先你得先明白什么是子网掩码，子网掩码实际上是用来获取网络号的位数的，例如255.255.255.0实际上转换成二进制就是(11111111.11111111.11111111.00000000),根据网络号为1，主机号为0规则，我们可以快速知道，它代表这个子网的网络号有24位，主机号有8位，然后如果将一个具体的IP地址来与这个子网掩码进行相与，例如：192.168.1.5来与它相与（及时1-1=1 1-0=0 0-0=0）可获取到192.168.1.0这个ip其实就是192.168.1.5的网段。这时候看一下上面表格的第四栏，不是刚好与之相同吗？那好这个包应该通过e3这个接口转发出去，大概就是这样的原理，这时候也许你会有疑问？最下面那一行是干嘛的呢？          其实最后一个是默认路由，也就是当你在表中找不到记录时，就会交给默认路由让它进行处理，有关路由的内容其实还有很多，但是这里我就不讲那么多了。
（2）路由器的特点  与交换机不同，路由器的端口都具有Mac地址，所以它只接收与自身地址匹配的包，遇到不匹配的包就会直接丢弃，路由器之间的连接形成了庞大的网络体系，但是路由器只负责将包送达通信对象这一整体过程，而其中将包传输到下一个路由器的过程则是由交换机实现，也就是路由器和交换机的协作，才有了现在的数据传输路径。当我们在路由表中查到了下一个路由器或者主机的IP地址后，我们还需要通过ARP来查询出它的Mac地址，并将它写入Mac首部中，这表示ip对以太网的委托只是将包传输到下一个路由器就行了（大多数是这样的，实际上如果两个主机中间只有一个路由器的情况是很少的），通过这一个过程的反复执行，最终数据包会到达最终的通信对象中。
关于集线器，交换机，路由器的简单介绍就写到这里了，下一篇文章讲网络包如何通过用于介入互联网的路由器，最终进入互联网内部的，