计算机网络基础--集线器、交换机、路由器（含ARP协议）

本文是整理B站up主free-coder的视频【网络】半小时看懂<计算机网络>，以备日后复习翻阅！

集线器

最开始要使计算机之间实现通信，采用的是两台计算机之间互联通信线路。

这样的方式进行计算机之间的通信会耗费大量的通信资源，而且不方便管理。
于是人们在这种模式上加入了转发和标识，转发就是通过集线器（Hub）进行代理转发，不用要求两两计算机之间都要连接通信线路，而只需要将所有的计算机与集线器Hub连接即可，如若发送数据由集线器代理转发。标识就是在计算机接收通过集线器转发的数据时，如果标识是本台计算机要接收的数据，那么接收，否则就会丢弃。

举个例子：

1要给4发送数据，那么首先1的数据会到集线器，然后由集线器广播（无条件转发）到2，3，4，5，然而2，3，5并不是要接收数据的标识，因此都丢弃数据，只有4接收数据。

这样的话就会存在一个问题，如果2也要发送数据，集线器无法分辨是1还是2发的数据，全部都广播出去，导致4可能接收到的数据是1和2的混合数据。

解决的办法就是采用CSMA/CD载波侦听检测链路上是否有人要发送数据，可以防止冲突。注意CSMA/CD是用在数据链路层的介质访问控制层（MAC层），管理着物理层，多用在以太网中。如果无线局域网，使用CSMA/CA。

但是集线器也会存在缺点：带宽利用率低，链路上只能由一个设备发送数据；集线器只适用于小规模网络工作于物理层。

交换机

首先交换机是维护着一张表（mac地址–端口），注意这个端口不是指的应用层的端口号，而是单纯的交换机的端口是几号。

其次交换机是可以实现全双工通信的，比如1号在发送数据时也可以接收数据。

如果1要给3发送数据，1先发送给sw交换机，交换机再到自己维护的表中查找计算机3的mac地址mac3对应的端口号是3，那么数据就从交换机的3号口发送给了3。

缺点：维持表的数据才几千，网络规模大的场景不适用。

**问题：**交换机确实满足了小规模家用局域网的互联互通，但是互联网的目的是跨局域网的全球互联，这个时候交换机就不能满足需求了，那么什么设备能够实现跨网络之间进行数据转发呢？

路由器

引入路由器的初衷就是为了实现跨网络时进行数据转发。

跟交换机一样，路由器也维护着一张表，建立这张表的过程有很多算法进行实现。

IP地址的作用：标识网络和标识设备。

**问题：**如果认为IP直接能找到对应的主机，那岂不是不需要mac地址了？（同样可以问：有了IP地址，还需要mac地址吗？）

首先得知道IP是抽象的地址，不能用作直接通信，只能使用mac地址直接通信。

那么192.168.1.52向192.168.1.254发送数据的过程：
1、查1.254的mac地址（通过ARP协议可查得）
2、mac层传输

传输过程中IP的源目地址是不变的。（特例是NAT协议时IP会变）。
如果想要了解NAT协议可参考

NAT转换是怎么工作的？ - 网工Fox的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/31332694/answer/1917791148

ARP协议

ARP协议整理自黑马的linux网络编程

首先看看以太网帧格式

那么对于ARP数据报格式

ARP的过程：

这里的arp1目的mac地址是广播地址，应该是ff:ff:ff:ff:ff:ff
arp1是从192.168.1.20广播到路由192.168.1.35的arp数据报格式，然后由192.168.1.35的路由填充arp1的目的mac和接收端mac进行返回，这样192.168.1.20就拿到了目的mac地址。

简单来说ARP就是获取下一跳的mac地址的协议，获取的mac地址就是数据包要发送的下一个路由的mac地址。

数据包寻路：在寻路的过程当中，最终的目的ip是在网络层的IP协议中。在每次经过一个路由时，会将以太网帧和ip协议拆开暴露出来，然后ip协议可以通过查看当前路由器的路由表查询到下一跳的ip地址，然后填入到arp中，通过arp获得下一跳的mac地址，然后依次这样向前寻路，直至将数据包传送到最终的ip地址。

如果路由节点之间网络传输存在问题，那么可能会出现在一个环路里面死循环，会拥塞网络。那么处理的办法就是TTL，就是最大生命周期，比如初始值是56，经过一跳之后就减一，如果TTL为0还没有传输完成，那么路由器就会丢弃数据包。

集线器和交换机区别

1、集线器在物理层通过广播形式转发数据；交换机工作在数据链路层，通过mac地址转发数据。

2、集线器内部采用总线型拓扑，各个节点共有一条总线进行通信，数据包的发送和接收采用CSMA/CD协议，在同一时间内必须是单向的，只能维持在半双工模式下；交换机上的两个端口之间是相互独立的，可以实现全双工通信，两个端口可以同时收发数据。

交换机和路由器区别

路由器和交换机的不同之处有哪些？ - 冯若航的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/20465477/answer/18025629

1、工作层次方面：交换机工作在数据链路层；路由器工作在网络层。

2、转发依据方面：交换机转发所依据的对象是mac地址；路由器转发所依据的对象是IP地址。

3、主要功能方面：交换机用于组建规模小的局域网；路由器则是将交换机组建好的局域网连接起来，即实现跨网络数据转发。