TCP/IP协议（2）：各层网络设备

一、中继器（Repeater）

  中继器工作在OSI的一层物理层，我们知道，超5类线的传输距离最大为100米，超过这个距离信号就会衰减，中继器就是为了防止信号变差，将网络信号进行再生和重定时。

二、集线器（Hub）

  集线器的特性与中继器相似，工作在一层物理层，它相当于多端口的中继器。它将连接到端口的计算机组成一个局域网，他会将数据广播到其它所有连接到端口的计算机上，每台计算机检查自己的MAC地址符不符合目标地址，不符合就不接收数据。由于集线器发送数据的特点导致了数据的不安全，另外集线器不允许多路同时通信，如果两台电脑同时向集线器发数据，集线器会向所有设备发送冲突信息。集线器属于早期网络设备，它只是将数据信号放大并进行傻瓜式的群发，并不认识地址或数据中的任何信息，现在基本上被交换机所替代。

三、交换机（Switch）

  交换机解决了集线器的缺点，它根据数据MAC地址只将数据发送到目标计算机，而且可以多路同时通信。所以说交换机比集线器聪明了，因为它工作在OSI的第二层数据链路层，它可以知道数据帧的MAC地址。

  现在有了三层交换机。

四、路由器（Router）

  路由器产生于交换机之后，它与集线器、交换机的作用有明显区别，它能够将整个互联网络分割成逻辑上独立的网络单位，为经过路由器的IP数据报寻找一条最佳的传输路径，将该数据传送到目的点。路由器工作在OSI的三层网络层，所以能够跨越不同的物理网络类型（以太网、FDDI等）。

  路由器是连接WAN和LAN的中介，而交换机一般只用在LAN中，所以我们上网的话必须要有路由器，而交换机不是必须的。路由器是利用IP地址（网络地址）来确定数据转发的地址，而交换机是利用MAC地址（物理地址）来确定转发数据的目的地址。路由器可以隔离广播风暴而交换机不能。一般交换机的功能路由器可以替换，但路由器的性能不如交换机。路由器会附带一些备用功能，如防火墙，而交换机则没有这些功能。

  当主机通信的目的地是直接相连的主机（例如点到点链接）或共享网络（例如以太网），IP数据报直接发送到目的地。否则，主机将数据报发送到一台路由器，由该路由器将数据报交付到目的地，这个过程可能要经过多个路由。这就是IP转发（IP路由）。

五、网关（Gateway）

  网关是指连接两个不同的网络（不同网段或不同接口协议类型）的设备，所以它又称网间连接器、协议转换器。网关不特指某一种设备，路由器很显然能够实现网关的功能，三层交换机、防火墙、服务器等也可以作为网关来使用。

  在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，因为PC和二层交换机不具备路由寻址能力，要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。一台主机可以有多个网关，默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来转发数据包，所以一般在计算机上我们将路由器地址设为默认网关。

六、家用路由器

 家用路由器跟我们计算机网络中所说的路由器还是有很大区别的， 一般计算机网络中说的路由器只负责数据路由（决定哪里收的数据包要发到哪里，要不要扔掉），其他功能由专门的设备来另外处理。

 现在的家用路由器集合了Router + Switch + NAT + DHCP服务器 + PPPoE客户端 + Firewall + 无线AP等功能为一体。

 1、家用路由器现在大都提供了switch的功能，所以可以拿来当交换机来使用。如下所示一个家庭路由器和一台交换机组成了一个11 LAN（包括路由器）的本地网络，如果用路由器替换交换机的话，只需将路由器的LAN口来当做交换机的端口来使用（有的可能还需要登陆路由器设置页面将DHCP设置为不启用）。

    

  2、NAT是为了解决IPV4类IP地址稀少的问题而诞生的，它使得若干个私有地址能够共用一个internet公网地址，并且他把内部地址对外隐藏起来，具有安全性。

      在最初的Internet体系结构中，每个主机都有一个全局的唯一IP地址，能够直接相互通信，而现在的Internet是由一个全局地址空间和许多私有地址空间组成。一个内网的计算机想与外界进行通信的话，NAT会随机分配一个未使用的端口号，并在路由器的路由表中与内网计算机形成一一映射关系 ，即 [内网IP＋端口号] 转换为[公网IP＋NAT分配的端口号]，NAT将内网计算机向外发送的IP数据报里填充[公网IP＋端口号]，而在收到外面的IP数据包后，NAT根据端口号，进行比对路由表映射，看是哪个内网主机的数据包，将数据包发给相应的内网计算机。

   上面所说的端口映射是动态的，即当有连接的时候NAT自动分配端口，当连接关闭时，NAT会释放分配给这条连接的端口，以便以后的连接可以继续复用。还有一种静态端口映射，就是在NAT上开放一个固定的端口，然后设置此端口收到的数据要转发给内网哪个IP和端口，不管有没有连接，这个映射关系都会一直存在，这样就可以让公网主动访问内网的一个电脑。 使用动态端口映射只能是内网计算机主动去连接外网，然后二者再进行通信，外网中的计算机是无法主动连接内网计算机进行通信的，这就导致产生了P2P通信技术。

    家庭无线路由器提供自动NAT功能，当内网主机发送的数据到达Router时，路由器会根据NAT策略将私网IP转换为PPP拨号分配的IP，然后再发到Internet上。

  3、DHCP是动态主机配置协议的简称，它是一个局域网的网络协议，使用UDP，属于应用层协议，主要作用是给内部网络自动分配内网IP地址，路由器出口地址（网关）、DNS域名服务器地址等。

     DHCP协议采用客户端/服务器模型，普通电脑中都内置有DHCP客户端模块, 电脑接上网络后，DHCP客户端发现新连通的网络，会在该网络上找DHCP服务器，DHCP服务器将给电脑提供合理的网络配置，并把设置信息传回本机。现在的家用路由器集成了DHCP服务器功能，在我们电脑的网络设置中如果设置的是“自动获得IP地址”和“自动获得DNS服务器地址”那么使用的就是DHCP服务器发回来的设置。

  4、PPPOE虚拟拨号方式是ISP运营商方便有效地完成对用户的管理一种认证技术，通过pppoe协议，可以使以太网的主机通过一个简单的桥接设备连到一个远端的接入集中器上，远端接入设备能够实现对每个接入用户的控制和计费。

  5、无线AP：AP是Access Point的简称，无线AP即无线接入点，俗称“热点”。

七、公司局域网网络搭建

  1）、如果是几十人的公司的话，可以直接使用运营商赠送的路由器，然后另购一台8口/24口/48口的交换机，交换机一端连接路由器的LAN，剩余端口连接各个电脑即可，如上图所示。

  2)、上百人的公司，需要采购一台企业级路由器来替换运营商赠送的路由器（运营商赠送的路由器一般性能较差，速度慢），然后路由器的每个LAN口接一个交换机。很多企业级路由器的LAN口配备单独的网卡，所以一个LAN口对应一个IP地址，如三LAN的路由器，IP配置为192.168.1.0、192.168.2.0、192.168.3.0，子网掩码都配置为255.255.255.0，这样每个LAN口下的主机属于一个网段（子网），能够隔离广播风暴。

  路由器的多个LAN口也可以共享同一个IP地址，通过配置桥接（Bridge）功能，可以将多个物理LAN口合并为一个逻辑接口。有些路由器默认是开启桥接配置的，这点需要注意。

     

  上面的网络拓扑架构有三个缺点：  

  ①、随着公司部门增多，每个部门一个子网，但是路由器一般仅有4个左右的LAN口，只能是多个部门合并成一个子网，或者添加路由器来增加LAN口。

  ②、随着公司各部门下人数的增多，使用255.255.255.0子网掩码配置的话，路由器每个LAN口下最多256台电脑，即一个子网（部门）最多支持256台电脑，想要部门支持更多台电脑上网的话，可以修改子网掩码，比如将子网掩码修改为23位的主机号+9位的主机号——11111111 11111111 11111110 00000000，即255.255.254.0，这样减少了一个子网（即255.255.255.0这个子网），但是子网内主机数量增加到了512个，3个LAN口能满足1536个电脑的上网。但是并不推荐这种通过修改子网掩码的方式来增加可上网主机数量，因为这需要公司中所有电脑修改其子网掩码，导致大规模的网络中断和重连。

    如果能够预见公司人数会大规模增加的话，可以在局域网中使用B类私有地址，这样每个子网能够容纳的主机数就大大增加了。但是这里的问题是，如果使用B类地址默认的子网掩码255.255.0.0的话，每个子网内主机数为6万多台，子网内任何一个设备发出的广播请求（如ARP），都会让这 6 万台设备的网卡中断 CPU 去处理，形成广播风暴灾难。为了防止广播风暴，可以将子网掩码设置为/23（子网内7百多台主机）或/22（子网内1000台主机）。

  ③、随着公司各部门下人数的增多，不同子网（部门）之间的通信量会变得原来越大，这会导致路由器工作效率下降（不同子网内的两台电脑进行通信需要经路由器转发）。

  3)、目前主流的网络拓扑架构是“路由器单接口+多VLAN”方式：

  VLAN就是虚拟的局域网，但其表现就跟局域网一样，其能隔离广播风暴，VLAN内的电脑可以不经路由器直接进行通信。可以根据子网来设置VLAN，比如将一个子网设置成一个VLAN，这样该子网下所有主机都属于同一个VLAN，即使两台电脑连接在不同的交换机下，只要它们属于同一个子网，就属于同一个VLAN：

  

    如下所示，交换机创建了三个VLAN，VLAN 10、VLAN 20、VLAN 30，在路由器的物理LAN接口之一如G0/0下创建三个子接口，G0/0.10、G0/0.20、G0/0.30，这三个子接口分别对应VLAN10，VLAN 20，VLAN 30，每个 VLAN 是一个独立广播域。这样公司人数增多的话，增加VLAN和交换机即可：

  

  上面这个网络拓扑方式称作“单臂路由模式”，其不能解决不同子网间通信量巨大导致的路由器工作效率下降问题，为了解决这个问题，可以将路由器后面的那台交换机替换成一个三层交换机来作为中心交换机，中心交换机再连接多个二层交换机，不同VLAN之间进行通信的话不再走路由器，三层交换机就可以直接转发数据到目的VLAN，因为三层交换机转发数据使用的是专用硬件，比路由器的效率要高的多（路由器的路由转发是软件实现，即CPU运行一段程序来处理路由转发），如下所示：

     

  可以看到，企业级路由器支持多网络运营商接入，比如电信接WAN1，网通接WAN2，路由器提供多种网络分发策略，比如可以设置192.168.10.0/24网段的主机使用电信，192.168.20.0/24使用网通。还可以给路由器配置负载均衡策略，如按TCP/UDP连接数的负载均衡——同一台电脑这次打开网页走移动，下一次打开网页走的就是网通。