网络通信设施

一．中继器（Repeater）

由于传输线路的噪音的影响，承载信息的模拟信号或数字信号只能被传输有限的距离。信元通过信道传输时受噪音影响信号会逐渐衰减，例如通过双绞线互联的以太网有效传输距离一般在百米左右。当我们试图建立一个传输距离达上千上万米的局域网（如校园网）时，就可以用中继器将该局域网的范围进行延伸。

中继器本质上是一个信号放大器（类似音响功放机），它将从一端收到的信号放大后发送到另一端中，从而起到扩展网络连网距离的作用。中继器只起电气信号的放大和整形作用，没有逻辑判断和处理能力，故它工作在物理层，无论高层采用什么协议均与中继器无关。

理论上说，可以用中继器把网络延长到任意长的传输距离，然而在很多网络上都限制了一对工作站之间加入中继器的数目。例如在以太网中最多使用四个中继器，即最多由五个网络段组成。

二．集线器（Hub）

全网连接需要的电线数量（N(N–1)/2）与工作站数量N的平方成正比。网络中各台计算机节点连接的形式和方法称为网络的拓扑结构。先有总线型拓扑，后有改良的环形拓扑，这两种拓扑结构的两点之间往往采用中继器延长传输距离。它们结构简单，使用电缆少，但故障诊断困难，且故障隔离困难。

在环型网络中只存在一个物理信号传输通道，通过一条传输介质来传输所有数据，这样就存在各节点争抢信道的矛盾，传输效率较低。引入集线器这一网络集线设备后，每一个站是用它自己专用的传输介质连接到集线器的，各节点间不再只有一个传输通道，各节点发回来的信号通过集线器集中，集线器再把信号整形、放大后发送到所有节点上，这样至少在上行通道上不再出现碰撞现象。

当我们试图使用RJ45双绞线组成星型局域网时，就需要一个集线器了，集线器作为网络拓扑的中点。集线器实质还是中继器，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（类似常见的电话/电视三通分线器）。集线器和中继器一样属于纯硬件底层网络设备，它是一个多端口的信号放大设备，同样工作于物理层。

集线器采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，即载波监听多路访问/冲突检测）的广播访问方式。故当网络规模较大时会出项广播风暴，性能会受到很大的影响。

集线器是最简单的互联组网设备，利用集线器连接的局域网叫共享式局域网。集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下。集线器发送数据时，有冲突，就重发。通过不断地重发，来消除冲突。因为集线器所有端口处于同一广播域和同一冲突域中，所以集线器只能利用到实际带宽的30%-40%。

三．网桥（Bridge）

在局域网通信都是通过ARP广播来决定目的主机的地址的， 为了减小在集线共享环境中的介质争用（也就是冲突），网桥产生了，它的作用是将广播域划分为一个一个小的冲突域（减少），这样便增大了可用的带宽，但是广播域还是没有变。从这里可以看出，网桥不涉及逻辑地址，所以它工作在数据链路层，并且端口很少（注意与后面的交换机区别），最后是网桥常常是基于软件的，因此可以处理上层事务。

网桥类似于中继器，连接两个局域网络段，但它是在数据链路层连接两个网段。网桥根据MAC地址来转发帧，刚开始的时候网桥不知道网络上的主机在哪个网段对应哪个端口，因此它只有把收到的帧向所有端口（网段）广播。当网桥接收到第一个帧时它就知道了发送此帧的主机的地址，因为地址包含在帧中。这样，网桥通过动态学习建立起过滤数据库（也就是人们熟知的转发表），其中记录了主机（MAC）地址与端口的映射关系。

网桥检查帧的源（MAC）地址和目的（MAC）地址，根据过滤数据库判断如果目的地址和源地址不在同一个网络段上，就把帧转发到另一个网络段上；如果两个地址在同一个网络段上，则不转发，所以网桥能起到过滤帧的作用。

网间通信从网桥传送，而网络内部的通信被网桥隔离。网桥的这种帧过滤特性很有用，当一个网络由于负载很重而性能下降时可以用网桥把它分成两个网络段并使得段间的通信量保持最小。例如，把分布在两层楼上的网络分成每层一个网络段，段间用网桥连接。这样将一个逻辑上单一的LAN分成多个局域网，以调节载荷、提高通信效率。可以看出，网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用。同时，由于网桥的隔离作用，一个网络段上的故障不会影响另一个网络段，从而提高了网络的可靠性。

四．交换机（Switch）

交换机是使用硬件来完成以往网桥使用软件来完成的过滤、学习和转发过程的任务，由于具有多个端口，所以也叫做多口桥，故它同网桥一样工作于数据链路层。交换机是一种专用的基于硬件的网络设备，所以具有比基于软件的网桥更高的数据转发能力。同时，交换机还整合了集线器的功能，因此也被称作交换式集线器。交换机具有强大的交换矩阵运算能力，能执行端口之间的全双工通信。

交换机与集线器的区别在于集线器是共享内部带宽的，交换机两点之间连接都是全带宽的。交换式网络避免了共享式网络的不足，交换技术的作用便是根据所传递信息包的目的地址，将每一信息包独立地从端口送至目的端口，避免了与其它端口发生碰撞，提高了网络的实际吞吐量。

交换机具有存储转发的功能，有冲突的时候先把冲突的数据存储起来，然后等到通道空闲时就转发，这就节省了客户机的负担，加快了传输的速率。此外，交换机速度比集线器快，这是由于集线器不知道目标地址在何处，广播数据到所有的端口；而交换机内置ARP映射表，在不知道目标地址的情况下才广播，然后存入ARP记录表，下次就直接发往目标端口了。

交换机除了具有桥接（也就是隔绝冲突）和转发数据报之外，还具有其他高级特性：比如说vlan(虚拟局域网)，port trunking（链路聚合），spanning tree（生成树）等等特性，高端的交换机还具有路由功能。

五．网卡（NIC）

网络接口卡（NIC，Network Interface Card），又称网络适配器（NIA-Network Interface Adapter），简称网卡。用于实现联网计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输。

网卡工作在OSI的最后两层，物理层和数据链路层。物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层 设备提供标准接口。物理层的芯片称之为PHY。数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

一般所说的网卡基本上是指以太网卡，以太网技术基本都集成在了网卡中。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。很多网卡的这两个部分是做到一起的。他们之间的关系是PCI总线接MAC总线，MAC接PHY，PHY接网线（当然也不是直接接上的，还有一个变压装置）。

在设备管理器中展开“网络适配器”，看到其中之一为“Atheros AR8131 PCI-E Gigabit Ethernet Controller”，其中“PCI-E”为主板上的总线类型，即PCI-Express。“Ethernet”表示Media Supported为IEEE 802.3（Ethernet）。

在任务管理器“联网”项中查看到“本地连接”的”线路速度”（Link speed）为“100 Mbps”。这个即我们常说的100兆网卡，100 Mbps是传输速率，指网卡的传输I/O带宽，是对网卡负载能力的一种描述。使用带宽为2Mbps的宽带上网，理论下载（下行）速度可达2*1024/8=256 KB/s，网卡“网络使用率”最大为2%。

六．路由器（Router）

到网络这一层，机器以IP地址唯一标识，因此到网络层能够消除底下两层的协议差异。工作于网络层的路由器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（例如以太网与令牌环网），屏蔽了异构子网的差异性。

由于路由器工作于网络层，它处理的信息量比网桥要多，因而处理速度比网桥慢。但路由器的互联能力强，可以执行复杂的路由选择算法。在具体的网络互连中，采用路由器还是采用网桥，取决于网络管理员的需要和具体的网络环境。在大型网络的组建中，往往使用骨干路由器与核心交换机相辅相成。

路由器的作用除了连接不同的网络、对数据进行存储转发之外，另一个最重要的功能就是计算源IP地址到目的IP地址之间的最佳路由（即最短路径，以经历的跳数（hop）为标准），“就近”选择信息传送最畅快的通路，从而提高整个网络的速度。路由器内部有一张路由表，其实就是一个数据库，存储了网络中各IP的路由，从而用一定的算法算出最佳的路由。

七．网关（Gateway）

网关是一种复杂的网络连结设备，它工作在OSI的高三层（会话层、表示层和应用层），它用于连接网络层之上执行不同功能的子网，组成异构的互连网。网关具有对不兼容的高层协议进行转换的功能。例如使用Netware的PC工作站和SNA网络互连，两者不仅硬件不同，而且整个数据结构和使用的协议都不同，为了实现异构设备之间的通信，网关要对不同的传输层、会话层、表示层、应用层协议进行翻译和变换。

网关一般作为子网与外界通信的关口，它实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。只有设置好网关的IP地址，TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。那么这个IP地址是哪台机器的IP地址呢？网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）等，通常使用路由器作为网关。

在TCP/IP网络体系中，网关的基本作用是根据目的IP地址的网络号与子网号，选择最佳的出口对IP分组进行转发，实现跨网段的数据通信。因此，网关又称网间连接器、协议转换器。

 

参考：

《网络学堂硬件篇》

《深刻了解网络设备》

《网络硬件三剑客的区别》

《集线器、网桥、交换机、路由器发展历史》

《集线器、交换器、路由器、网卡的区别和联系》