一文弄懂网络交换机，路由器原理

你是一台电脑，你的名字叫A，很久很久以前，你不与任何其他电脑连接，孤苦伶仃。

然后，你希望与另一台电脑B做朋友，两人铜线，于是你们各自开了一个网口，用一根网线连接了起来。

 

用一根网线连接起来怎么就能“”通信“”了呢？这里面需要涉及到IO，终端，缓冲区等，但这不是研究网络该关心的问题。如果你想了解，可以去研究一下操作系统是如何处理网络IO的，要么去研究一下包是如何被网卡转换成电信号发送出去的，或者你就把他当做电脑里有个小人在开枪吧。

 

 

 反正你们就是连接起来，并且通信了。

第一层

有一天，有个心得伙伴C加入了，于是你们可以以每个人开两个网口，用一共三根线，彼此相连。

 

 但是随着越来越多的人加入，你发现身上开的网口是在太多了，而且网线密密麻麻，混乱不堪（实际上一台电脑根本开不了那么多的网口，所以这种连线只在理论上可行）

 

 于是发明了一个中间设备，你们将网线都插到这个设备上，由这个设备做转发，就可以彼此通信了，本质上和原来一样，只不过网口的数量和网线数量减少了，不在那么混乱。

 给它取名叫加集线器，它仅仅是无脑的将电信号转发到所有出口（广播），不做任何处理，没有任何智商，因此将它定义在了“物理层”。

 由于转发到了所有出口，那么BCDE四台机器怎么知道数据包是不是发给自己的呢？

首先，你要给所有连接到集线器的设备，都起一个名字，原来你们叫ABCD，但现在需要一个更专业的，全局唯一的名字作为标识，我们把这个更高端的名字叫做“MAC地址”。

你的地址是 aa-aa-aa-aa-aa-aa，你的伙伴的MAC地址是bb-bb-bb-bb-bb-bb，以此类推，不重复就好。

这样，A在发送数据包给B是，只要在头部拼接一个这样结构的数据就可以了。

 B在收到数据包后，根据头部的目标MAC地址信息，判断这个数据包的确是发给自己，于是便收下。

其他的CDE在收到数据包后，根据头部的目标MAC地址信息，判断这个数据包并不是发给自己的，于是便丢弃。

 

 虽然集线器使整个布局干净不少，但原来我只要发给B的消息，现在却要发给连接到集线器中的所有电脑，这样既不安全，用不节省网络资源。

第二层

如果把集线器弄得更智能一些，只发给目标MAC地址指向的那台电脑，就好了。

 

 虽然只比集线器多了一点点区别，但看起来视乎智能了，把它叫做交换机，也正因为这一点智能，你把它放在了另一个层级，数据链路层。

 如上图所示，你是这样设计。

交换机内部维护一样MAC地址表，记录着每一个MAC的地址的设备连接在其哪一个端口上。

MAC 地址	               端口
bb-bb-bb-bb-bb-bb	1
cc-cc-cc-cc-cc-cc	3
aa-aa-aa-aa-aa-aa	4
dd-dd-dd-dd-dd-dd	5

假如你仍然要发给 B 一个数据包，构造了如下的数据结构从网口出去。

 

 到达交换机时，交换机内部通过自己维护的MAC地址表，发现机器B的MAC地址bb-bb-bb-bb-bb-bb映射到了端口1上，于是把数据从1号端口发给了B，over完活。

给通过这样传输方式而组成的小范围的网络，叫做以太网。

当然最开始的时候，MAC表是空的，怎么建立起来的呢？

假如在MAC地址表为空时，你给B发送了如下数据：

 

 由于这个包从端口4进入交换机，所以此时交换机就可以在MAC地址表记录第一条数据：

MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa
             端口：4

 

交换机看目标 MAC 地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中并没有映射关系，于是将此包发给了所有端口，也即发给了所有机器。

之后，只有机器 B 收到了确实是发给自己的包，于是做出了响应，响应数据从端口 1 进入交换机，于是交换机此时在地址表中更新了第二条数据：

MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb
             端口：1

 过程如下：

 经过该网络不断的通信，最终将MAC表建立完毕。

随着电脑的数量增多，交换机网口开始不够用了，但聪明你很快发现将多个交换机连接起来，这个问题就能解决了。

 

 你完全不需要设计额外的东西，只需要按照之前的设计和规矩来，按照上述的接线方式即可完成所有电脑的互联，所以交换机设计的这种规则，真的很巧妙，你想想看为什么（比如A要发数据给F）。

但是你要注意，上面那根红色的线，最终在MAC地址表中可不是一条记录，而是要把EFGH这四台机器与该端口（端口6）的映射全部记录在表中。

最终，两个交换机将分别记录A-H所有机器的映射记录。

左边的交换机

MAC 地址端口
bb-bb-bb-bb-bb-bb 1
cc-cc-cc-cc-cc-cc 3
aa-aa-aa-aa-aa-aa 4
dd-dd-dd-dd-dd-dd 5
ee-ee-ee-ee-ee-ee 6
ff-ff-ff-ff-ff-ff 6
gg-gg-gg-gg-gg-gg 6
hh-hh-hh-hh-hh-hh 6

右边的交换机

MAC 地址端口
bb-bb-bb-bb-bb-bb 1
cc-cc-cc-cc-cc-cc 1
aa-aa-aa-aa-aa-aa 1
dd-dd-dd-dd-dd-dd 1
ee-ee-ee-ee-ee-ee 2
ff-ff-ff-ff-ff-ff 3
gg-gg-gg-gg-gg-gg 4
hh-hh-hh-hh-hh-hh 6

这在只有8台电脑时候还好，甚至在只有几百台电脑的时候，都还好，所以这种交换机的设计方式，已经可以撑一阵子了。

但很遗憾，电脑的数量很快发挥职能到几千，几万，几十万。

第三章

交换机已经无法记录如此庞大的映射关系了。

此时你动了歪脑筋，你发现了问题的根本在于，连出去的那根红色的网线，后面不知道有多少设备不断地连接进来，从而使地址越来越大。

那我可不可以让那根红色的网线，接入一个新的设备，这个设备跟电脑一样有自己独立的MAC地址，而且还能帮我们将数据包做一次转发呢？

这个设备就是路由器，他的功能就是，作为一台独立拥有MAC地址的设备，并且可以帮我把数据包做一次转发，把它定义在了网络层。

 注意：路由器的每一个端口，都有独立的MAC地址。

好了，现在交换机的MAC地址表中，只需要多出一条MAC地址与ABAB与其端口的映射关系，就可以成功的数据传输到路由器。

那如何做到，把发送给 C 和 D，甚至是把发送给 DEFGH.... 的数据包，统统先发送给路由器呢？

不难想到这样一个点子，假如电脑 C 和 D 的 MAC 地址拥有共同的前缀，比如分别是：

C 的 MAC 地址：FFFF-FFFF-CCCC
D 的 MAC 地址：FFFF-FFFF-DDDD

那我们就可以说，将目标 MAC 地址为 FFFF-FFFF-？开头的，统统先发送给路由器。

这样是否可行呢？答案是否定的。

我们先从现实中 MAC 地址的结构入手，MAC地址也叫物理地址、硬件地址，长度为 48 位，一般这样来表示：

00-16-EA-AE-3C-40

它是由网络设备制造商生产时烧录在网卡的EPROM（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写）。其中前 24 位（00-16-EA）代表网络硬件制造商的编号，后 24 位（AE-3C-40）是该厂家自己分配的，一般表示系列号。只要不更改自己的 MAC 地址，MAC 地址在世界是唯一的。形象地说，MAC地址就如同身份证上的身份证号码，具有唯一性。

那如果你希望向上面那样将目标 MAC 地址表示为 FFFF-FFFF-？开头的，统一从路由器出去发给某一群设备（后面会提到这其实是子网的概念），那你就需要要求某一子网下统统买一个厂商制造的设备，要么你就需要要求厂商在生产网络设备烧录 MAC 地址时，提前按照你规划好的子网结构来定 MAC 地址，并且日后这个网络的结构都不能轻易改变。

这显然是不现实的。

于是你发明了一个新的地址，给每一台机器一个 32 位的编号，如：

11000000101010000000000000000001

你觉得有些不清晰，于是把它分成四个部分，中间用点相连。

11000000.10101000.00000000.00000001

你还觉得不清晰，于是把它转换成 10 进制。

192.168.0.1

最后你给它起了一个名字，叫做IP，现在每一台电脑既有自己的MAC地址，又有自己的IP,只不过IP地址是软件层面的，可以自己随时修改，MAC地址一般是固定的。

这样子的一个随时可以修改的IP地址，就可以根据你规划的网络拓扑图进行调整了。

 如上图所示，假如我要发送数据包给ABCD其中的一台设备，不论哪一台，我都可以这样描述"将IP地址为192.168.0开头的全部发送给路由器，之后再怎么转发，交给路由器处理"

。

那么将数据交给路由器之后，路由器有事怎么把数据包转却转发给指定设备呢？

我们献给上面的组网方式中每台设备，加上自己的IP地址。

 现在两个设备之间传输，除了加上数据链路层的头部之外，还要再加一个网络层的头部。加入A给B发送数据，由于他们直接连着交换机，所有A直接将数据发送给B，这时网络层IP是不体现作用的。

 但是假如A发给C，A需要先将数据转发给路由器，然后再有路由器将数据转发给C。由于最底层传输依然需要依赖以太网，所以数据包分成两段。

A~路由器这段内容的包如下：

 路由器到 C 这段的包如下：

 上面说的两种情况（A->B，A->C），下面我们一个个来展开。

A 给 C 发数据包，怎么知道是否要通过路由器转发呢？

答案：子网。

如果源IP与目的IP处于一个子网，直接将包通过交换机发送过去。

如果源IP与目的IP不处于一个子网，就会将包传递给路由器，由路由器处理。

好，那现在只需要解决，什么叫处于一个子网就好了。

  • 192.168.0.1 和 192.168.0.2 处于同一个子网

  • 192.168.0.1 和 192.168.1.1 处于不同子网

这两个是我们人为规定的，即我们想表示，对于 192.168.0.1 来说：

192.168.0.xxx 开头的，就算是在一个子网，否则就是在不同的子网。

那对于计算机来说，怎么表达这个意思呢？于是人们发明了子网掩码的概念。

假如某台机器的子网掩码定为 255.255.255.0。

这表示，将源 IP 与目的 IP 分别同这个子网掩码进行与运算，相等则是在一个子网，不相等就是在不同子网，就这么简单。

比如：

  • A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0

  • B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0

  • C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

  • D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

那么 A 与 B 在同一个子网，C 与 D 在同一个子网，但是 A 与 C 就不在同一个子网，与 D 也不在同一个子网，以此类推。

 

所以。A给C发消息，A和C的IP地址分别&A机器配置的子网掩码，发现不相等，则A与C不在同一个子网，于是A将数据包发送给路由，就不管了。

A如何知道，哪个设备是路由呢？

上一步A通过是否与C在同一个子网内，判断自己应该把包发给路由器，那路由器的IP是多少呢？其实说发给路由器并不准确，应该说发给默认网关。

对于A来说，A只能将包发送给同处于一个子网下的某个IP上，所以发给路由器还是发给某台电脑，对A来说也不关心，只要这个设备有IP地址就可以了。

所以默认网关，就是A在自己电脑里配置的一个IP地址，以便A在发给不同子网的机器时，发送给这个IP地址。

问题又来了，包发送到路由器之后，又是如何将包发送给C的呢？

答案：路由表

A将包成功发送给路由器后，路由器怎么知道收到的这个包，从自己的那个端口出去，才能最终到达目的地C呢？

路由器收到的包有目的IP，需要转换成从自己那个端口出去去，很容易想到应该有张表，就像MAC地址表一样，这张表就叫路由表。

表怎么出来的，有很多路由算法，我也不懂！！！！！

不同于MAC地址表的是，路由表并不是一对一这种明确关系，下面是一张路由表结构。

目的地址子网掩码下一跳端口
192.168.0.0 255.255.255.0   0
192.168.0.254 255.255.255.255   0
192.168.1.0 255.255.255.0   1
192.168.1.254 255.255.255.255   1

我们学习一种新的表示方法，由于子网掩码其实就表示前多少位表示子网的网段，所以如192.168.0.0（255.255.255.0）也可以简写为192.168.0.0/24

目的地址下一跳端口
192.168.0.0/24   0
192.168.0.254/32   0
192.168.1.0/24   1
192.168.1.254/32   1

这就好理解了，路由表就表示192.168.0.xxx这个子网下的，都转发到0号端口，192.168.1.xxx这个子网下的，都转发到1号端口。下一跳列还没有值，先不管他。

配合着结构图看（这里把子网掩码和默认网关都补齐）图中&比武，应该是0.

需要注意的是，刚才都是在说IP层，但是发送数据包的数据链路层需要知道MAC地址，可是我只知道IP地址怎么办呢？

答案：arp。

假如A此时不知道你同伴B的MAC地址（其实现实中就是不知道），只知道他的IP地址，应该怎么把数据传递给B呢？

答案很简单，在网络层我们需要把IP地址对应的MAC地址找到，也就是通过某种方式，找到192.168.0.2对应的MAC地址BBBB。

这种方式就是arp协议，同时电脑A和B里面也会有一张arp缓存表，表中记录着IP与MAC地址对应关系。

IP 地址MAC 地址
192.168.0.2 BBBB

一开始这个表是空的，电脑A为了知道电脑B的MAC地址，将会广播一条arp请求，B收到请求后，带上自己的MAC地址给A一个响应，此时A便更新了自己的arp表。

这样通过不断的arp广播请求，最终所有电脑里面都将arp缓存表更新完整。

总结：

从各个节点来看

电脑视角：

首先我们要知道我的IP和对方的IP。

通过子网掩码判断我们是否在一个子网。

在同一个子网就通过arp获取对方mac地址直接扔出去。

不在同一个子网就通过arphuoqu默认网关的mac地址扔出去。

交换机视角：

我们收到的数据包必须有目标MAC地址

通过MAC地址表查映射关系

查到了就按照映射关系从我的按指定端口f发出去。查不到就所有端口都发出去。

路由器视角：

我收到的数据包必须有目标IP地址

通过路由表查映射关系

查到了就按照映射关系从指定的端口发出去（不在任何一个子网范围内，走路由器默认网关也是查到了）

查不到则返回一个路由不可达的数据包

通过以上你可以看出：

网络层(IP协议)本身米有传输包的功能，包的实际传输是交给数据链路层（以太网中的交换机来完成的）

涉及到的三张表：

交换机中的MAC地址表，用于映射MAC地址表和它的端口。

路由器中的路由表，用于映射IP地址（段）和它的端口

电脑和路由器中都有的arp缓存表用于缓存IP与MAC地址的映射关系

三张表的由来：

MAC地址表通过以太网内各节点之间不断地通过交换机通信，逐渐完善起来的。

路由表是由各种路由算法+人工配置起来的。

arp缓存表是不断通过arp协议的请求逐渐完善起来的。

通过以上学习，目前网络上两个节点如何发送数据包的过程就可以解释通了。

下面是一张网络拓扑图。

 

这时路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了下一条地址这一个概念，所以它的路由表就变成了这个样子。如果匹配到了有下一跳地址的一项，则需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。

也就是说找来找去，最终必须能映射到一个端口号，然后从这个端口号把数据包发出去。

目的地址下一跳端口
192.168.0.0/24   0
192.168.0.254/32   0
192.168.1.0/24   1
192.168.1.254/32   1
192.168.2.0/24 192.168.100.5  
192.168.100.0/24   2
192.168.100.4/32   2

 

这时如果 A 给 F 发送一个数据包，能不能通呢？如果通的话整个过程是怎样的呢？

 

 详细过程动画描述：

 

详细过程文字描述：

1.首先A（192.168.0.1）通过子网掩码计算出自己与F（192.168.2.2）并不在一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.254）

2.A通过arp协议找到默认网关的MAC地址

3.A将源MAC地址(AAAA）与网关MAC地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将源IP（192.168.0.1）和网关（192.168.0.254）封装在网络层头部，然后发包。

 

4.交换机收到数据包后，发现目标MAC地址ABAB，将其转发给路由器1.

5.数据包来到了路由器后，发现目标ip是192.168.2.2，通过查路由表，发现下一跳IP192.168.100.5。

6.所以此时路由器需要再次匹配路由表，发现匹配到了端口2，于是将其封装在数据链路层，将包从端口2发出去。

7.此时数据包来到了路由器2，看到其目标IP192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号1，备将包从端口1发送出去。

8.但此时路由器2需要知道192.168.2.2的MAC地址了，所以查看其arp缓存找MAC地址，将其封装在数据链路层头部，并从1号端口发送出去。

9.交换机3此时收到了数据包，发现了其目标MAC地址为FFFF,查询其MAC地址表，于是将数据从6端口发出去。

10.F最终收到了数据包，并且发现MAC目标地址就是自己，于是收下了此包。

到此，经过物理层，数据链路层，网络层这三层的协议，以及根据这些协议涉及的设备(网线，集线器，交换机，路由器)，理论上只要拥有对方的IP地址，就已经将网络中任意两个连通。

 

posted @ 2021-03-31 14:03  流水小哥  阅读(1174)  评论(0)  编辑  收藏  举报