集线器、网桥、交换机、中继器原理

集线器

集线器(HUB),它是工作在物理层的设备,由于它只是工作在物理层的设备,所以它并不关心也不可能关心OSI上面几层所涉及的,它的工作机制流程 是:从一个端口接收到数据包时,会在其他端口把这个包转发一次,因为它不知道也不可能知道这个包是发给谁的(物理层设备只关心电压这些物理概念),它也只能对所有人广播(这里和下文提到的广播该词的意思和ARP请求时的广播有些不同。

这里的广播意思是:使用物理层转发设备,如HUB,导致的广播,可以说这个广播是被逼的,因为设备的问题!是设备转发包引起的广播!而ARP请求的 广播是自己要求的,主动的,因为ARP请求包的目标地址IP是255.255.255.255,但ARP请求的广播涉及IP层的知识,不在这篇文章讨论的 范围,所以这里提到的广播,除非特别说明,否则都是第一个意思,也就说是”因设备转发数据包引起的广播” ),让他们自己处理了。

这样一来会有不少问题,你发的数据其他人都收到了,私隐这总东西是不存在的!别入可以随便监听你信息!所以会话劫持在那个年代相当容易(记得俺第一次接触会话劫持这个概念的时候还是高2,那是2001~2002,呵,那时候集线器还是比较普遍的)。

另外一个比较严重的问题是,如果一个大型的局域网,比如有500台机器,全部用HUB连接的,后果会怎么样呢??相当慢,网络的效率极差!为什么? 如果500台机器都发一个包,那就是说每台机器,都需要接收差不多499个无用包…并且如果是需要回应的话……无用的数据包会充斥着整个的局 域网,这就是传说中的广播风暴!

为了减少广播风暴,网桥产生了(注意这里用的时候“减少”,不是“杜绝”,仅仅是减少!如果仅仅用网桥说能杜绝广播风暴,个人觉得还是不太准确,后来交换机的出现才可以说是完全杜绝了广播风暴的发生)!

在介绍网桥之前,还想简单介绍另一个物理层的设备:“中继器”,这种设备的作用是把物理层传输的信号放大,由于长距离的传输,信号会有一定的损耗的,这种设备主要解决的就是这个问题。它和HUB的区别是:HUB主要是为了在物理层上转发数据的,所以它不关心电压值的大小,也不会放大物理信号;而中继器它的作用就是为了放大信号用的,SO…..

网桥

网桥又称桥接器,英文名Network Bridge,数据链路层设备。它也是转发数据包的设备,但和HUB不一样的是,它工作在数据链路层,HUB只能看懂物理层上的东西(比如一段物理信号),网桥却能看懂一些帧的信息(在链路层上,把上面传下来的数据封装后,封装好了的数据就是帧,但这里我用“数据包”这样的泛指去代替“帧”这个专业术语)。

在以太网构造的局域网上,最终的寻址是以数据链路层的MAC地址作为标识的(就是用MAC地址可以在局域网上找到一台唯一的机器),网桥能从发来的 数据包中提取MAC信息,并且根据MAC信息对数据包进行有目的的转发,而不采用广播的方式,这样就能减少广播风暴的出现,提升整个网络的效率,在详细说网桥这东西之前,我想先介绍一下交换机。

交换机:

这是大家最熟悉的设备之一

交换机Switch,数据链路层设备,作用是转发数据包。和网桥一样它也是通过识别帧中的MAC地址,然后对特定的端口进行转发的。

网络基础之网桥和交换机的工作原理及区别

网桥和交换机区别在叙述前,我们先一起看两幅图:

网桥的连接模式:(红点处为HUB)

bridge
switch

交换机连接模式:

从图中可以看到,网桥只有2个(输入/出)端口,而交换机有8个。嗯,是的,一开始的时候(那时候只有HUB这种设备),由于硬件水平不是很发达,人们为了提高局域网效率,减少广播风暴的出现,他们生产了网桥(一个只有两个输入/出端口的链路层设备,这时的网桥已经是个比较先进的设备),然后他们把一个局域网一分为2,中间用网桥连接,这样A发给BCD的数据就不会再广播到EFGH了(网桥发现如果数据包不是转发给下面这个子网的,它会自动丢弃此包),只有从A 发到EFGH的数据包才能通过网桥,到达另外一个子网(网桥发现如果数据包是转发给下面这个子网的,它才会把包转发给这个子网)。

这样一来,非必要的传输减少了,整个网络的效率也随之提高可不少!人们发现网桥真是个好东西呀,随着硬件发展,出现了4个,8个端口的链路层设备,这就是交换机,由于交换机可以使得网络更安全(数据不容易被监听,因为数据不再广播了,注意:只是不容易而已,要搞你其实还是可以的),网络效率更高(还是因为数据不再广播!),交换机渐渐替代了HUB,成为组建局域网的重要设备。

所以说,网桥和交换机,基本上是一样的,嗯,只是基本上而已,细看还是有些不一样的,但在说明他们之间有什么不一样之前,我想先简单介绍一下网桥和交换机的工作原理。

网桥的工作原理:

bridgeprinciples

上图是用一个网桥连接的两个网络,网桥的A端口连接A子网,B端口连接B子网,为什么网桥知道哪些数据包该转发,哪些包不该转发呢?那是因为它有两个表A和B,当有数据包进入端口A时,网桥从数据包中提取出源MAC地址和目的MAC地址。

一开始的时候,表A和表B都是空的,没有一条记录,这时,网桥会把数据包转发给B网络,并且在表A中增加一条MAC地址(把源MAC地址记录表中),说明这个MAC地址的机器是A子网的,同理,当B子网发送数据包到B端口时,网桥也会记录源MAC地址到B表。

当网桥工作一段时候后,表A基本上记录了A子网所有的机器的MAC地址,表B同理,当再有一个数据包从A子网发送给网桥时,网桥会先看看数据包的目的MAC 地址是属于A子网还是B子网的,如果从A表中找到对应则,抛弃该包,如果不是,则转发给B子网,然后检查源MAC地址,是否在表中已经存在,如果不存在,在表A中增加一条记录。

噢,或许你现在会问了,为什么需要两张表呢,一张表不行么??嗯~刚才把表一分为二是为了便于理解,实际上,真正的网桥里面存的应该是一张表(当然有可能为了提速,或者其他原因,它也可能把信息存为多张表,这个得看它怎么实现了~),如果是一张信息表,表里记录的应该是:MAC-PortNum。

交换机有些许不同,如图:

switch2

交换机也有一张MAC-PORT对应表(这张表的学名为:CAM),和网桥不一样的是,网桥的表是一对多的(一个端口号对多个MAC地址),但交换机的CAM表却是一对一的,如果一个端口有新的MAC地址,它不会新增MAC-PORT记录,而是修改原有的记录

例如:现在交换机记录表里已经有一项:MAC1-Port1,如果此刻端口1又来了一个数据包,里面的源MAC地址是MAC2,此时,交换机会刷新交换机记录表:MAC1-Port1记录被修改为MAC2-Port1,因为交换机认为是端口1的计算机MAC地址变了,如果端口1连接的一台物理机器,MAC一般是不会变的,如果连接的是另外一个交换机,那这个端口的记录会变化得比较频繁(如上图的Port12,它是对外的接口,与一个局域网连接),另外,如果 CAM表中没有找到和数据包的目的MAC地址对应的记录,交换机会对此数据包进行广播,发给本交换机的每一个端口。

网桥和交换机的缓存对比

网桥和交换机除了用CAM表指导数据包转发这点和HUB不一样外,网桥和交换机还有一个特点:缓存!对,网桥和交换机都有一定量的缓存,因为网桥和交换机转发数据包需要一些额外的操作,所以可能会占用一些时间,为了避免出现因来不及转发数据,导致大量数据丢失的情况,网桥和交换机就出现了缓存。

当然,缓存不是万能的,当网桥或交换机处理不及并且缓存用完了,以后再来的数据还是会丢失的。还一个网桥需要缓存的原因是:桥接两个传输速率不同的局域网,比如:802.3的传输速率说10mb/s,但实际上并不是真的10Mb/s,而 802.4(几乎)确实为10Mb/s,但两个局域网桥接时候必须是速率一样的,否则会有包丢失,而缓存也正好可以为不同速率网络连接时所使用。

网桥的缓存量是大于交换机的缓存量,因为网桥天生是为了连接两个网络的,两个网络桥接时所要处理的数据量会比一般的交换机需要处理的数据量要多,所以网桥的缓存也一般要比交换机大一点。