【网络学习】集线器，交换机，路由器的作用

集线器(Hub) —— 工作在物理层

信号在线路中传播会进行衰减，集线器的作用就是对信号进行再生放大，从而扩大了网络的传输距离。从功能就可以看出，集线器是工作在物理层的。而且从下图中可以看出，使用集线器的网络是总线型网络，那么当一台计算机发送消息时，所有的计算机都会收到消息。而且有一个问题就是有可能多台主机同时发送消息，那么这些信号在总线上相遇就会发生冲突，所以就需要使用"载波监听多点接入/碰撞检测(CSMA/CD)"。

使用集线器的网络叫做共享式网络，该网络的所有主机都属于同一个冲突域，即一台计算机发送消息，其它的计算机都能够收到。而且同一时刻只能够有一台计算机发送消息(为了防止冲突)。

虽然说在共享式网络中其它计算机也能够收到不是发给自己的信息，但是计算机会识别该信息是不是发送给自己的，如果不是那么就会丢弃。

 

交换机(Switch)  —— 工作在数据链路层

前言——交换机转发的消息叫做帧。

集线器的信道利用率太低了，所以就出现了交换机。交换机很很多个端口，每个端口都能够连接一台计算机，当计算机A向计算机B发送信息时，会在内部建立起一条临时性的数据传输通道，如果有多台计算机同时通信，那么就会维护多条通道。那么可以看出交换机的每个端口就是一个冲突域，如果该端口只连接了一台计算机，那么就相当于没有冲突。

每台计算机都有一个网卡适配器，每个网卡适配器都有一个MAC地址，该地址是全球唯一的。

当计算机A向计算B发送帧时，就会根据帧首部包含的目的主机MAC地址，将帧从合适的端口转发出去。那么交换机怎么知道从哪个端口把帧转发出去呢？

交换机会在内部维护一个MAC地址表，其中包含了每个端口对应的主机的MAC地址。交换机在转发帧时，就会查找该MAC地址表，然后将帧从合适的端口转发出去。

 

那么交换机是如何得到这个MAC地址表的呢？

静态MAC地址表：当把一台计算机连接上交换机时，由管理员填写该表，从而形成MAC地址表。

动态MAC地址表：当把一台计算机B连接上交换机时，什么事都不用做，当有计算机A向计算机B发送帧时，如果交换机不能够在MAC地址表中找到帧首部的目的MAC地址对应的是哪个端口，那么就会向所有的端口（除了发送帧的那个端口除外）发送该消息，然后只要计算机B回应了帧，交换机就知道哪个端口连接了计算机B，那么交换机就会在MAC地址表中记录下来。

 

路由器(Router)  —— 工作在网络层

前言——路由器转发的消息叫做IP数据报。

交换机是工作在数据链路层的，也即交换机只能转发局域网内的帧。如果网络A的主机想要发消息给网络B的主机就需要路由器了。

如果网络A的主机1想要想网络B的主机2发送消息，那么主机1必须在IP数据报的首部加上源IP地址和目标IP地址，那么路由器A会根据目标IP地址将IP数据报转发到路由器B。路由器B接收到该IP数据报后，会将该IP数据报封装成帧，然后在帧的首部加上主机B的MAC地址作为目的地址，然后把该消息转发给主机B，或者转发给交换机，由交换机转发给主机B。

那么路由器A怎么知道把IP数据包从哪个端口送出去呢？路由器内部维护了一张路由表，它知道把IP数据报从哪个端口发出去。这个就不详细说了，太复杂了。

那么路由器B怎么知道某个IP地址对应了哪个主机，且该主机的MAC地址是什么呢？

路由器内部维护了一张arp表，即地址解析协议表，它知道哪个IP地址对应了哪个MAC地址。

①如果arp表中存在该IP地址所对应的表项，那么根据该表项，直接将IP数据包加上相应的首部封装成帧。

②如果arp表中不存在该IP地址所对应的表项，那么路由器发送一个广播帧，将帧首部的目的MAC地址设为FFFFFFFFFFFF，交换机收到该帧后，发现其目的MAC地址是FFFFFFFFFFFF，就会将该帧从所有的端口（除了发送该帧的端口除外）转发出去，当计算机收到该帧后，就会把自己的IP地址和MAC地址都发送给路由器，这样路由器就生成了arp表了。然后再根据该表转发IP数据报。

注：计算机接收的帧只有两种，①帧首部的目的MAC地址和自己的MAC地址一致；②帧首部的目的MAC地址是广播地址FFFFFFFFFFFF。（这里不考虑组播的情况）