中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关大总结，通俗易懂

2022-01-06 智能化弱电工程分享

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计算机网络知识拓扑导图

二、TCP/IP 原理

TCP/IP 协议不是 TCP 和 IP 这两个协议的合成，而是指因特网整个 TCP/IP 协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP 由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。

心尖尖 - 潇公子(刘潇).mp33:09
来自智能化弱电工程分享

中继器工作在物理层上的连接设备

中继器（repeater，RP）是指在网络物理层上面的连接设备，适用于完全相同的两类网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离[1]。

中继器是局域网环境下用来延长网络距离的，但是它不属于网络互联设备，操作在OSI的物理层，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，用于扩展局域网网段的长度（仅用于连接相同的局域网网段）。中继器只能在网络标准中规定的延迟范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。

中继器作用

中继器（RP repeater）工作于OSI的物理层，是局域网上所有节点的中心，它的作用是放大信号，补偿信号衰减，支持远距离的通信。中继器。工作于物理层，只是起到扩展传输距离的作用，对高层协议是透明的。实际上，通过中继器连接起来的网络相当于同一条电线组成的更大的网络。中继器也能把不同传输介质（10Base 5和10Base 2）的网络连在一起，多用在数据链路层以上相同的局域网的互连中。

中继器工作原理图

中继器设计的目的是给你的网络信号以推动，以使它们传输得更远。

由于传输线路噪声的影响，承载信息的数字信号或模拟信号只能传输有限的距离，中继器的功能是对接收信号进行再生和发送，从而增加信号传输的距离。它们连接同一个网络的两个或多个网段。如以太网常常利用中继器扩展总线的电缆长度，标准细缆以太网的每段长度最大185米，最多可有5段，因此增加中继器后，最大网络电缆长度则可提高到925米。一般来说，中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。

中继器可以连接两局域网的电缆，重新定时并再生电缆上的数字信号，然后发送出去，这些功能是OSI模型中第一层--物理层的典型功能。中继器的作用是增加局域网的覆盖区域，例如，以太网标准规定单段信号传输电缆的最大长度为500米，但利用中继器连接4段电缆后，以太网中信号传输电缆最长可达2000米。有些品牌的中继器可以连接不同物理介质的电缆段，如细同轴电缆和光缆。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

中继器优点缺点

优点

• 扩大了通信距离。

• 增加了节点的最大数目。

• 各个网段可使用不同的通信速率。

• 提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。

• 性能得到改善。

中继器的主要优点是安装简单、使用方便、价格相对低廉。他不仅起到网络距离的作用，还可以将不同传输介质的网络连接在一起。中继器工作在物理层，对于高层协议完全透明。

缺点

• 由于中继器对收到被衰减的信号再生（恢复）到发送时的状态，并转发出去，增加了延时。

• CAN总线的mac子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，可能因中继器中缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。

• 中继器若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。

不同层次的网络连接设备

1、物理层 ：中继器（Repeater）和集线器（Hub）。用于连接物理特性相同的网段，这些网段，只是位置不同而已。Hub 的端口没有物理和逻辑地址。

2、逻辑链路层 ：网桥（Bridge）和交换机（Switch）。用于连接同一逻辑网络中、物理层规范不同的网段，这些网段的拓扑结构和其上的数据帧格式，都可以不同。Bridge和Switch的端口具有物理地址，但没有逻辑地址。

3、网络层 ：路由器（Router）。用于连接不同的逻辑网络。Router的每一个端口都有唯一的物理地址和逻辑地址。

4、应用层 ：网关（Gateway）。用于互联网络上，使用不同协议的应用程序之间的数据通信，目前尚无硬件产品。

前两者属于OSI和TCP/IP模型的最低层，即物理层，起到数字信号放大和中转的作用。

中继器(REPEATER)，用来延长网络距离的互连设备。（局域网络互连长度是有限制，不是无限，例如在10M以太网中，任何两个数据终端设备允许的传输通路最多为5个中继器、4个中继器组成）。REPEATER可以增强线路上衰减的信号，它两端即可以连接相同的传输媒体，也可以连接不同的媒体，如一头是同轴电缆另一头是双绞线。

集线器(HUB)实际上就是一个多端口的中继器，它有一个端口与主干网相连，并有多个端口连接一组工作站。它应用于使用星型拓扑结构的网络中，连接多个计算机或网络设备。集线器又分成：1 能动式，2 被动式，3 混合式。1 功能式：对所连接的网络介质上的信号有再生和放大的作用，可使所连接的介质长度达到最大有效长度，需要有电源才能工作，目前多数HUB为此类型。2 被动式只充当连接器，其不需要电源就可以工作，市场上已经不多见。3 混合式：可以连接多种类型线缆，如同轴和双绞线。

集线器就是一种共享设备，HUB本身不能识别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得重试。这种方式就是共享网络带宽。

网桥和交换机属于OSI和TCP/IP的第二层，即数据链路层。数据链路层的作用包括数据链路的建立、维护和拆除、帧包装、帧传输、帧同步、帧差错控制以及流量控制等。

网桥(BRIDGE)工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。它可以有效地联接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。

网桥通常有透明网桥和源路由选择网桥两大类。
1、透明网桥
简单地讲，使用这种网桥，不需要改动硬件和软件，无需设置地址开关，无需装入路由表或参数。只须插入电缆就可以，现有LAN的运行完全不受网桥的任何影响。
2、源路由选择网桥
源路由选择的核心思想是假定每个帧的发送者都知道接收者是否在同一局域网（LAN）上。当发送一帧到另外的网段时，源机器将目的地址的高位设置成1作为标记。另外，它还在帧头加进此帧应走的实际路径。

交换机(SWITCH)是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。广义的交换机就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。

在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工作模式的改进。

交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC(网卡的硬件地址)的NIC(网卡)挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部地址表中。

使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效地隔离广播风暴，减少误包和错包的出现，避免共享冲突。

总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。

其实SWITCH的前身就是网桥。交换机是使用硬件来完成以往网桥使用软件来完成过滤、学习和转发过程的任务。SWITCH速度比HUB快，这是由于HUB 不知道目标地址在何处，发送数据到所有的端口。而SWITCH中有一张路由表，如果知道目标地址在何处，就把数据发送到指定地点，如果它不知道就发送到所有的端口。这样过滤可以帮助降低整个网络的数据传输量，提高效率。但是交换机的功能还不止如此，它可以把网络拆解成网络分支、分割网络数据流，隔离分支中发生的故障，这样就可以减少每个网络分支的数据信息流量而使每个网络更有效，提高整个网络效率。目前有使用SWITCH代替HUB的趋势。

路由器(ROUTER)位于网络层，用于连接多个逻辑上分开的网络，几个使用不同协议和体系结构的网络。当一个子网传输到另外一个子网时，可以用路由器完成。它具有判断网络地址和选择路径的功能，过滤和分隔网络信息流。一方面能够跨越不同的物理网络类型（DDN、FDDI、以太网等等），另一方面在逻辑上将整个互连网络分割成逻辑上独立的网络单位，使网络具有一定的逻辑结构。

对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点有所不同：

1、在主干网上，路由器的主要作用是路由选择。主干网上的路由器，必须知道到达所有下层网络的路径。这需要维护庞大的路由表，并对连接状态的变化作出尽可能迅速地反应过来。路由器的故障将会导致严重的信息传输问题。

2、在地区网中，路由器的主要作用是网络连接和路由选择，即连接下层各个基层网络单位——园区网，同时，负责下层网络之间的数据转发。

3、在园区网内部，路由器的主要作用是分隔子网。早期的互连网基层单位是局域网（LAN），其中所有主机处于同一个逻辑网络中。随着网络规模的不断扩大，局域网演变成以高速主干和路由器连接的多个子网所组成的园区网。在其中，各个子网在逻辑上独立，而路由器就是唯一能够分隔它们的设备，它负责子网间的报文转发和广播隔离，在边界上的路由器则负责与上层网络的连接。

集线器是什么

集线器是什么？集线器(HUB)属于数据通信系统中的基础设备，它和双绞线等传输介质一样，是一种不需任何软件支持或只需很少管理软件管理的硬件设备。它被广泛应用到各种场合。集线器工作在局域网(LAN)环境，像网卡一样，应用于OSI参考模型第一层，因此又被称为物理层设备。集线器内部采用了电器互联，当维护LAN的环境是逻辑总线或环型结构时，完全可以用集线器建立一个物理上的星型或树型网络结构。在这方面，集线器所起的作用相当于多端口的中继器。其实，集线器实际上就是中继器的一种，其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务，所以集线器又叫多口中继器。

集线器构造

集线器内部构造很简单，可以理解成只是把所有网线连接起来而已。换句话讲，集线器充当了 共用导线 的功能。

这样一来，从某个端口发送出去的电信号，将被传送到所有其他端口：

注释：这里端口 ( port )是指集线器的插口，或称为网口。

换句话讲，从一台主机发送出来的数据，将被传送到所有其他主机上。以 A 往 B 发送数据为例：

看起来就像 A 发起了广播，其他所有主机都可以收到这个数据。由于数据帧中包含 目的地址 ，最终只有 B 接收并处理这个数据。因此并无大碍，至少是可以正常工作的。

尽管如此，集线器还是存在一些缺陷，主要体现在两方面：

所有主机(端口)共享带宽；
所有主机(端口)处于同一 冲突域 (一台主机发送，其他人只能等待)；

这两方面缺陷严重制约着集线器的传输效率，在接入端口数较多的情况下更是如此。

总结一下，集线器工作于物理层，主要特点如下：

扩展终端数量；
中继放大物理信号；
延伸网络传输距离；
所有端口同属一个冲突域；
所有端口共享带宽；

网桥

现在，我们有了集线器，但是这带来一个问题，多个集线器连接在一起，但是由于是广播通信，互相冲突，所以我们现在需要一种设备，能够有效隔离子网。让广播通信仅仅在于一个局部：网络桥。

网桥也是数据链路层设备，把一个局域网一分为2，中间用网桥连接，这样A发给BCD的数据就不会再广播到EFGH了。

3.1网桥的工作原理

上图是用一个网桥连接的两个网络，网桥的A端口连接A子网，B端口连接B子网，为什么网桥知道哪些数据包该转发，哪些包不该转发呢？那是因为它有两个表A和B，当有数据包进入端口A时，网桥从数据包中提取出源MAC地址和目的MAC地址。

一开始的时候，表A和表B都是空的，没有一条记录，这时，网桥会把数据包转发给B网络，并且在表A中增加一条MAC地址(把源MAC地址记录表中)，说明这个MAC地址的机器是A子网的，同理，当B子网发送数据包到B端口时，网桥也会记录源MAC地址到B表。

当网桥工作一段时候后，表A基本上记录了A子网所有的机器的MAC地址，表B同理，当再有一个数据包从A子网发送给网桥时，网桥会先看看数据包的目的MAC地址是属于A子网还是B子网的，如果从A表中找到对应则，抛弃该包（因为该包在HUB中已经被转发），如果不是，则转发给B子网，然后检查源MAC地址，是否在表中已经存在，如果不存在，在表A中增加一条记录。

噢，或许你现在会问了，为什么需要两张表呢，一张表不行么？？嗯～刚才把表一分为二是为了便于理解，实际上，真正的网桥里面存的应该是一张表(当然有可能为了提速，或者其他原因，它也可能把信息存为多张表，这个得看它怎么实现了～)，如果是一张信息表，表里记录的应该是：MAC-PortNum，所以它是具有学习功能的。

网桥相当于二层交换机它可以在Layer2“桥接”两个网段。它比HUB强一些的是，它分离了两个网段，不会把一个网段内部的packet广播到另一个网段。因此，两个网段之间不会产生不必要的信号冲突碰撞。举例：AB在桥东，CD在桥西，AB对话时，CD也可以对话。AC对话时，BD大致要避让。

交换机

交换机（Switch）由输入输出接口以及具有交换分组或信元等数据单元能力的转发逻辑组成的网络设备。转发逻辑描述了用于交换技术的规则，实现数据单元的转发，输入输出端口是物理的和逻辑的接口，用来连接到需要交换数据单元的通信网络。

1.交换机的功能

交换机的功能是连接计算机、服务器、网络打印机、网络摄像头、IP电话等终端设备，并实现与其它交换机、无线接入点、路由器、网络防火墙等网络设备的互联，从而构建局域网络，实现所有设备之间的通信。

2.交换机的工作原理

交换机位于OSI参考模型中的第二层（数据链路层），交换机的工作依赖于对MAC地址的识别（所有的网络设备都有一个唯一的MAC地址，通常是由厂商直接烧录进网卡中）。

当交换机从其某个端口收到一个数据包时，先读取包头中的源MAC地址（即发送该数据包的设备网卡的MAC地址），将该MAC地址和端口对应起来添加到交换机内存里的地址表中；

然后再读取包头中的目的MAC地址，对照内存里的地址表看该MAC地址与哪个端口对应，如果地址表中有该MAC地址的对应端口，则将该数据包直接复制到对应的端口上，如果没有找到，则将该数据帧作为一个广播帧发送到所有的端口，对应的MAC地址设备会自动接受该帧数据，同时，交换机将接受该帧数据的端口与这个目的MAC地址对应起来放入内存中的地址表中。