3.1信号在网线和集线器中的传输
3.2交换机的包转发
3.3路由器的包转发操作
3.4路由器的附加功能

3.1信号在网线和集线器中传输

3.1.1每个包都是独立传输的

客户端计算机连接的局域网结构如下图所示，要经过集线器，交换机和路由器最终进入互联网。
在这里插入图片描述

3.1.2防止网线中的信号衰减很重要

本章是从信号流出网卡进入网线开始，网卡中的PHY(MAU)模块负责将包转换成电信号，信号通过RJ-45接口进入双绞线。如下图右侧所示。
以太网信号的本质是正负变化的电压，网卡的PHY(MAU)模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路。
网卡的PHY(MAU)模块直接连接在下图右侧中的RJ-45接口，信号从这个接口的1号和2号针脚流入网线，然后，信号会通过网线到达集线器的接口，这个过程就是单纯地传输电信号而已。在这里插入图片描述
但是，信号到达集线器的时候并不是跟发出去的时候一摸一样，集线器收到的信号有时候会出现衰减，如下图所示。信号在网线的传输过程中能量会逐渐损失，网线越长，信号衰减就越严重。
以太网中的信号波形是方形的，但损失能量会让信号的拐角变圆，这是因为电信号的频率越高，能量的损失率越大。信号的拐角意味着电压发生剧烈的变化，而剧烈的变化意味着这部分的信号频率很高。高频信号更容易损失能量，因此本来剧烈变化的部分就会变成缓慢的变化，拐角也就变圆了。
如果已经衰减的信号再进一步失真就会出现对0和1的误判，这就是产生通信错误的原因。

3.1.3“双绞”是为了抑制噪声

双绞线能抑制噪声的原因：
产生噪声的原因是网线周围的电磁破，当电磁波接触到金属等导体时，在其中就会产生电流。因此，如果网线周围存在电磁波，就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。由于信号本身也是一种带有电压变化的电流，其本质和噪声产生的电流是一样的，所以信号和噪声的电流就睡混杂在一起，导致信号的波形发生失真，即噪声。
影响网线的电磁波分为两种。
一种是电机，荧光灯，CRT显示器等设备泄漏出来的电磁波，这种电磁波来自网线之外的其他设备。双绞线抑制这类噪声的过程如下：
首先，信号线使用金属做成的，当电磁波接触到信号线时，会沿电磁波传播的右旋方向产生电流，这种电流会导致波形发生失真。如果我们将信号线缠绕在一起，信号线就变成了螺旋形，其中两根信号线中产生的噪声电流方向就会相反，从而使得噪声电流相互抵消，噪声就得到了抑制。当然，即便信号线变成螺旋形，里面的信号依然可以原样传输，即：信号没有变，只是噪声被削弱了。

另一种电磁波是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。由于传输的信号本身就是一种电流，当电流流过时就会像周围发出电磁波，这些电磁波对于其他信号来说就成了噪声。这种内部产生的噪声称为串扰。
双绞线抑制这类噪声的关键在于缠绕方式，缠绕时将扭绞间隔（节距）分布均衡，使网线中的正负信号恰好相互抵消，就能有效抑制噪声。此外，还可以通过在信号线之间假如隔板保持局路，以及在外面包裹可阻挡电磁波的金属屏蔽网等工艺手段辅助抑制噪声。

3.1.4集线器将信号发往所有线路

当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。以太网的基本架构就是将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方MAC地址来判断应该接收哪些包，集线器的实现就是使用的该架构，其工作过程如下：
首先，在每个接口的后面装有和网卡中的PHY(MAU)功能相同的模块，但它需要将“发送线路”和“接收线路“采用交叉接线方式连接起来才行。
（集线器的接口中有一个MDI/MDI-X切换开关。MDI就是对RJ-45接口和信号收发模块进行直连接线，而MDI-X则是交叉接线。由于集线器的接口一般都是MDI-X模式，要将两台集线器相连时，就需要将其中一台改成MDI模型，如下图所示(a)，如果集线器上没有MD切换开关，而且所有的接口又都是MDI-X时，可以用交叉网线连接两台机前期，所谓交叉网线，就是一种将发送和接收信号线反过来连接的网线，如下图所示。）

信号到达集线器的PHY(MAU)模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上。

接下来，信号从搜有接口流出，到达连接在集线器上的所有设备，这些设备在收到信号之后会通过MAC头部中的接收方MAC地址判断是不是发给自己的，如果是发给自己的就接受，否则就忽略。这样，网络包就能到达指定MAC地址的接收方了。

由于集线器只是原封不动地将信号广播出去，所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真，也会原样发送到目的地。这时，接收信号的设备，如：交换机，路由器，服务器等，会在将信号转换成数字信息后通过FCS(帧校验序列)发现错误，并将出错的包丢弃。当然丢弃包并不会影响数据的传输，因为丢弃的包也不会出发确认响应，因此协议栈的TCP模块会检测到丢包并对该包进行重传。

3.2交换机的包转发

交换机转发包的过程如下：（自己总结）
在这里插入图片描述
首先，信号到达网线接口由PHY(MAU)模块进行接收。PHY称为物理层装置，是一种存在于以太网中速率为100Mbit/s的信号收发模块，AU称为介质连接单元，速率更低。
接着，PHY(MAU)模块会将网线中的信号转换为通信格式，然后传递给MAC模块，MAC模块将信号转换为数字信息，然后通过包末尾的FCS校验错误，没有问题则放到缓冲区。
然后，查询MAC地址表，找到该包的转发端口，通过交换电路将包发送到该端口。
到达该端口后，端口中的MAC模块和PHY(MAU)模块会执行发送操作，将信号发送到网线中。其过程如下：
首先，确定接收模块中的接收线路中没有信号进来（以免发生碰撞），然后将包的数字信息转换为电信号，发送。发送的过程中还需对接收信号进行监控，如果检测到其他设备发送信号，则表示发生了碰撞，这时发送阻塞信号停止网络中的发送操作，一段时间后再尝试重新发送。

3.2.1交换机的内部结构及其解析

交换机的设计是将网络包原样转发到目的地，其内部结构如下：
在这里插入图片描述
交换机中包含多个端口，MAC地址表，交换电路等结构。

1.交换机和网卡的区别：
网卡本身具有MAC地址，并通过核对收到的包的接收方的MAC地址判断是不是发给自己的，如果不是发给自己的则丢弃，而交换机的端口不核对接收方的MAC地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区。因此，和网卡不同，交换机的端口不具有MAC地址。
2.MAC地址表详情及维护
MAC地址主要包含以下两个信息：
一个是设备的MAC地址，另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。如上图所示，MAC地址和端口是一一对应的，通过这张表就能判断出收到的包应该转发到哪个端口。
维护MAC地址表的操作分为两种：
第一种是收到包时，将发送方MAC地址和其端口号写入MAC地址表中。由于收到包的那个端口连接着发送这个包的设备，所以将该包的MAC地址和端口号写入MAC地址表，下次收到发往这个地址的包，交换机就能找到正确的端口了。
第二种是删除地址表中某条记录的操作，以防止设备移动时产生问题。即一段时间后删除表中的某些记录即可。
3.交换电路的工作方式
交换电路的结构如下：
在这里插入图片描述
它将输入端与输出端连接起来。其中，信号线排列成网格状，每一个交叉点都有一个交换开关，交换开关是电子控制的，通过切换开关的状态就可以改变信号的流向。交换电路的输入端和输出端分别连接各个接收端口和发送端口，网络包通过这个网格状的电路在端口之间流动。例如：现在要将包从2号端口发送到7号端口，那么信号会从输入端口的2号线进入交换电路，这时，让左起的6个开关水平导通，然后将第7个开关切换为垂直导通，信号就会像图上一样流到输出端7号线路，于是网络包就被发送到了7号端口。每个交叉点上的交换开关都可以独立工作，因此只要路径不重复，就可以同时传输多路信号。

4.两种特殊操作情况
一种是交换机查询地址表之后发现记录中的目标端口和这个包的源端口是同一个端口。如下图所示：
在这里插入图片描述例如：计算机A发送的包到达集线器后会被集线器转发到所有端口上，就是这个包会到交换机和计算机B（如上图所示1），这时，交换机转发这个包之后，这个包会原路返回集线器（如上图所示2），然后集线器又把包转发到所有端口，于是这个包又到达了计算机A和计算机B。所以计算机B会收到两个相同的包，这会导致无法正常通信，因此，当交换机发现一个包要发送回原端口时，就会直接丢弃。

另一种特殊情况是地址表中找不到指定的MAC地址，这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包，或这个设备一段时间内没有工作导致地址被从地址表中删除了，这种情况下，交换机无法判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上，无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包，这样做不会产生问题，因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络，然后只有相应的接收者才接收包，而其他设备则会忽略这个包。

此外，如果接收方MAC地址是一个广播地址，那么交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。

3.2.2交换机的全双工模式及自动协商

全双工模式是交换机特有的工作模式，它可以同时进行发送和接收操作，使用集线器让多台计算机同时发送信号，信号会在集线器内发送混杂在一起，无法工作，即碰撞。

使用双绞线时，发送和接收的信号线是各自独立的，因此在双绞线中信号不会发生碰撞。网线连接的另一端，即交换机端口和网卡的PHY(MAU)模块以及MAC模块，其内部发生和接收电路也是各自独立的，信号也不会发生碰撞，因此，只要不要集线器，就可以避免信号碰撞了。

随着全双工模式的出现，出现了全双工和半双工模式之间切换的问题？
刚开始需手动切换，后来出现自动切换工作模式，由相互连接的双方探测对方是否支持全双工模式，并自动切换成相应的工作模式，除此之外，除了能自动切换工作模式之外，还能探测双方的传输速率并进行自动切换，这种自动切换称为自动协商。

在以太网中，当没有数据传输时，网络中会填充一种被称为连接脉冲的脉冲信号。在没有数据信号时就填充连接脉冲，这使得网络中一直都有一定的信号流过，从而能够检测对方是否在正常工作，或者说网线有没有正常连接。以太网设备的网线接口周围有一个绿色的LED指示灯，它表示是否检测到正常的脉冲信号，如果绿灯亮，说明PHY(MAU)模块以及网线连接正常。

在双绞线以太网规范最初制定的时候，只规定了按一定间隔发送脉冲信号，这种信号只能用来确认网络是否正常。后来出现具有特定排列的脉冲信号，如下图所示，通过这种信号可以将自身的状态告知对方自动协商功能就利用了这样的脉冲信号，即通过这种信号将自己能够支持的工作模式和传输速率互相告知对方，并从中选择一个最优的组合。
在这里插入图片描述

3.2.3交互机可以同时执行多个转发操作

交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口，其他端口都是空闲的，这些空闲的端口可以传输其他的包，因此交换机可以同时转发多个包。相对地，集线器会将输入的信号广播到所有端口，如果同时输入多个信号就会发生碰撞，无法同时传输多路信号，因此从设备整体的转发能力来看，交换机要高于集线器。

3.3路由器的包转发操作

3.3.1路由器的结构及工作原理

路由器的内部结构如下图所示：
在这里插入图片描述
路由器包括转发模块和端口模块两部分。其中转发模块负责判断包的转发目的地，端口模块负责包的收发操作。路由器转发模块和端口的关系就相当于协议栈的IP模块和网卡之间的关系。
路由器的工作原理：
路由器在转发包时，首先会通过端口将发过来的包接收进来。接着接收模块会根据接收到的包的IP头部中记录的接收方IP地址，在路由表中进行查询，依次判断转发目标。然后，转发模块将包转移到转发目标对应的端口，端口再按照硬件的规则将包发送出去。
== 路由器的各个端口都具有MAC地址和IP地址。==

3.3.2路由表中的信息及维护

路由表中的信息如下图所示：
在这里插入图片描述
最左侧的目标地址列记录的是接收方的信息。路由器会将接收到的网络包的接收方地址与路由表中目标地址进行比较，并找到相应的记录，交互机在地址表中只匹配完全一致的记录，而路由器会则忽略主机号部分只匹配网络号部分。
在匹配地址的过程中，路由器需要知道网络号的比特书，因此路由表中还有一列子网掩码，通过这个值就可以判断出网络号的比特数。
接下来在子网掩码的右边还有网关和接口两列，它们表示网络包的转发目标。根据目标地址和子网掩码匹配到某条记录后，路由器会将网络包交给接口列中指定的网络接口（端口），并转发到网关列中指定的IP地址。
最后一列是跃点数，它表示距离目标IP地址的距离是远还是近。这个数字越小表示距离目的地越近，数字越大，表示距离目的地越远。

对路由表的维护有两种方式：
(1)由人工手动维护路由记录。
(2)根据路由协议机制，通过路由器之间的信息交换由路由器自行维护路由表的记录。

3.3.3路由器对包的接收和转发操作（基于以太网端口）

接收：
首先，信号到达网线接口部分，其中的PHY(MAU)模块会和MAC模块将信号转为数字信息，然后通过末尾的FCS进行错误校验，如果没有问题则检查MAC头部中的接收方MAC地址，看看是不是发给自己的包，如果是就放到缓冲区，否则就丢弃这个包。

完成包的接收操作之后，路由器就会丢弃包开头的MAC头部，MAC头部的作用就是将包送达路由器，其中的接收方MAC地址就是路由器端口的MAC地址，当包到达路由器之后，也就不需要MAC头部了。接着，路由器会根据IP头部中的内容进行包的转发操作。
转发：
首先是查询路由表判断转发目标，找到转发目标之后，网络包就会被转交给输出端口，（如果是以太网端口）则按照以太网的规则将包转换为电信号发送出去。其发送过程是：在包的前面加上MAC头部，设置其中的一些字段，然后将完成的包转换成电信号并发送出去。
具体来说就是：
为了判断MAC头部应该填写什么值，要根据路由表的网关判断对方的地址。如果网关是一个IP地址，则这个IP地址就是我们要转发到的目标地址，如果网关为空，则IP头部中的接收方IP地址就是要转发的目标地址。
知道了对方的IP地址后，接着通过ARP根据IP地址查询MAC地址，并将查询的结果作为接收方的MAC地址，路由器也有缓存，因此首先会在ARP缓存中查询，如果找不到则发送ARP请求。
接下来是发送方MAC地址字段，这里填写输出端口的MAC地址，还有一个以太网类型字段，填写0080(十六进制)。
网络包完成之后，接下来会将其转换成电信号并通过端口发送出去，如果以太网工作在半双工模式下：首先需要确认线路中没有其他信号后才发出，如果检测到碰撞，则需要等待一段时间后重发，如果以太网工作在全双工模式下，则不需要确认线路中的信号，可以直接发送。
如果输出端口为以太网，则发送出去的网络包会通过交换机到达下一个路由器。由于接收方的MAC地址就是下一个路由器的地址，所以交换机会根据这一地址将包传输到下一个路由器。接下来，下一个路由器会将包转发给再下一个路由器，经过层层转发之后，网络包就到达了最终的目的地。

1.查询路由表确定输出端口的过程，以下图为例：
在这里插入图片描述
假设地址为10.10.1.101的计算机要向地址为192.168.1.10的服务器发送一个包，这个包先到达图中的路由器。判断战法目标的第一步就是根据包接收方的IP地址查询路由表中的目标地址栏，找到匹配的记录，这个匹配不是匹配32个比特，而是根据子网掩码列中的值判断网络号的比特数，并匹配相应数量的比特，例如上图第三行，子网掩码为255.255.255.0就表示需要匹配左起24个比特。网络包的接收方IP地址和路由表中的第3行、第4行目标地址左起24个比特内容都是192.168.1，因此，这两者是匹配的，这两条记录都是候选转发目标之一。
按照这个规则可能会匹配到多条记录，该例子中，3，4，5行都可以匹配。其中，路由器会首先序号网络号比特数最长的一条记录，网络数越长说明主机号比特数越短，也就意味着该子网呢哦可分配的主机数量越少，即子网中可能存在的主机数量越少，这一规则的目的是尽量缩小范围。
第3行192.168.1.0/255.255.255.0表示一个字网，第4行192.168.1.10/255.255.255.255表示一台服务器，相比服务器所属的子网来说，直接指定服务器本身的地址时范围更小，因此这里应该选择第4行作为转发目标。
有时候路由表中会存在网络号长度相同的多条记录。这时需要根据跃点数的值进行判断，跃点数越小说明路由越近。
如果在路由表中无法找到匹配的记录，路由器会丢弃这个包，并通过ICMP消息告知发送方。
2.找不到匹配路由时选择默认路由
上图表中最后一行的子网掩码为0.0.0.0，意思是网络包接收方IP地址和路由表目标地址的匹配中需要匹配的比特数为0，换句话说，就是不需要匹配。只要将子网掩码设置为0.0.0.0，任何地址都能匹配到这一条记录。
只要在这一条记录的网关中填写接入互联网的路由器地址，当匹配不到其他路由时，网络包就会被转发到互联网接入路由器。因此这条记录被称为默认路由，这一行的网关地址被称为默认网关。
3.包的有效期
找到转发目标之后将其填入MAC地址，同时还需要更新IP头部中的相关信息。比如TTL（生存时间）字段。TTL字段表示包的有效期，包经过一个路由器的转发，这个值就会减1，当这个值变成0时，就表示超过了有效期，这个包就会被丢弃。
这个机制是为了防止包在一个地方陷入死循环，如果路由表中的转发目标都配置正确，应该不会出现这样的情况，但如果其中的信息有问题，或者由于设备古筝等原因切换到备用路由时导致暂时性的路由混乱，就会出现这样的情况。
4.通过分片功能将包拆分成小的网络包
路由器的端口并不只有以太网一种，也可以支持局域网或专线通信技术，不同线路和局域网类型各自能传输的最大包长度也不同，因此输出端口的最大包长度可能会小于输入端口。即便两个端口的最大包长度相同也可能会因为添加了一些头部数据而导致包的实际长度发生变化。无论哪种情况，只要转发包的长度超过了输出端口能传输的最大长度就必须进行分片或丢弃处理。
分片操作的过程如下图所示：
在这里插入图片描述
首先，我们需要知道输出端口的MTU，看看这个包能不能不分片直接发送。最大包长度是由端口类型决定的，用这个最大长度减去头部长度就是MTU，将MTU与要转发的包长度进行比较。如果输出端口的MTU足够大，就可以不分片直接发送，如果输出端口的MTU太小，那么需要将包按照这个MTU进行分片，分片之前还需看一下IP头部中的标志字段，确认是否可以分片。
如果查询标志字段发现不能分片，那么只能丢弃这个包，并通过ICMP消息通知发送方。否则按照输出端口MTU对数据进行依次拆分了。数据被拆分后，每一份数据前面会加上IP头部，其大部分内容都和原本的IP头部一样，但其中有部分字段需要更新，这些字段用于记录分片相关的信息。

3.3.4路由器与交换机的关系
计算机发送包或者路由器转发包时需要在包前面加MAC头部，准确的说是将IP包装进以太网的数据部分，也就是说，给包加上MAC头部并发送，从本质上说是将IP包装进以太网数据部分中，委托以太网去传输这些数据。IP协议本身没有传输包的功能，因此包的实际传输要委托以太网来进行。路由器是基于IP设计的，而交换机是基于以太网设计的，因此，IP与以太网的关系也就是路由器与交换机的关系。换句话说，路由器将包的传输工作委托为交换机来进行。（只适用于纯粹的路由器和交换机，现在的路由器中内置了交换机功能，不适用于上述内容）
从包的转发目标也可以看出路由器和交换机之间的委托关系，IP并不是委托以太网将包传输到最终目的地，而是传输到下一个路由器，在创建MAC头部时，也是从IP路由表中查找出下一个路由器的IP地址，并通过ARP查询出MAC地址，然后将MAC地址写入MAC头部中，这表示IP地址对以太网的委托只是将包传输到下一个路由器就行。当包到达下一个路由器后，下一个路由器又会重新委托以太网将包传输到再下一个路由器，重复以上过程，包就会最终到达IP目的地。

网络中并非只有以太网一种，还有无线局域网，以及接入互联网的通信线路，它们和IP之间的关系是怎样的呢？其实只要将以太网替换成无线局域网，互联网线路等通信规格就可以了。也就是说，如果和下一个路由器之间是通过无线局域网连接的，那么就委托它将包传输过去，如果是通过互联网线路连接的，那么就委托它将包传输过去。

IP本身不负责包的传输，而是委托各种通信技术将包传输到下一个路由器。

3.4路由器的附加功能

路由器最重要的两个附加功能是：地址转换和包过滤

3.4.1地址转换

所谓地址，就是用来识别每一台设备的标志，因此每台设备都应该有一个唯一不重复的地址。所谓公有地址就是介入互联网的设备拥有的固定地址。所谓私有地址是就是某些用于内网的地址。其私有地址的范围是：
10.0.0.0----10.255.255.255
172.16.0.0-----172.31.255.255
192.168.0.0----192.168.255.255

当公司内网和互联网连接时候，需要采用如下结构：
在这里插入图片描述
也就是将公司内网分为两个部分，一部分是对互联网开发的服务器，另一部分是公司内部设备，其中对互联网开发的部分分配公有地址，可以和互联网直接进行通信。相对地，内网部分则分配私有地址，内网中的设备不能和互联网直接收发网络包，而是通过一种特别的机制进行连接，这个机制就叫地址转换。

3.4.2地址转换的基本原理

地址转换的基本原理是在转发网络包时对IP头部中的IP地址和端口号进行改写。假设要访问web服务器，看看包时如何进行传输的。
首先，TCP连接操作的第一个包被转发到互联网时，会像下图所示那样，将发送方IP地址从私有地址改写成公有地址，这里使用的公有地址是地址转换设备（路由器）的互联网接入端口地址。与此同时，端口号也需要改写，地址转换设备会随机选择一个空闲的端口。然后改写前的私有地址和端口号，以及改写后的公有地址和端口号，会作为一组相对的记录保存在地址转换设备内部的一张表中。
在这里插入图片描述
改写发送方IP地址和端口号之后，包就被发往互联网，最终到达服务器，然后服务器会返回一个包。服务器返回的包的接收包是原始包的发送方，因此返回的包的接收方就是改写后的公有地址和端口号。这个公有地址其实是地址转换设备的地址，因此这个返回包就会到达地址转换设备。
接下来，地址转换设备会从地址对应表中通过公有地址和端口号找到相对应的私有地址和端口号，并改写接收方信息，然后将包发给公司内网，这样包就能够到达原始的发送方了。
通过这样的机制，具有私有地址的设备就可以访问互联网了，从互联网一端来看，实际的通信对象是地址转换设备（路由器）。

3.4.3从互联网访问公司内网

对于从公司内网访问互联网的包，即便其发送方私有地址和端口号没有保存在对应表中也是可以正常转发的，因为用来改写的公有地址就是地址转换设备自身的地址，而端口号只要随便选一个空闲的端口就可以了，这些都可以地址转换设备自行判断，然而对于从互联网访问公司内网的包，如果在对应表中没有记录就无法正常转发。因为如果对应表中没有记录就意味着地址转换设备无法判断公有地址与私有地址之间的对应关系。
换个角度看，这意味着对于没有在访问互联网的内网设备，是无法从互联网向其发送网络包的。而且即便是正在访问的设备，也只能向和互联网通信中使用的那个端口发送网络包，无法向其它端口发送包，也就是说，除非公司主动允许，否则是无法从互联网向公司内网发送网络包的。这种机制具有防止非法入侵的效果。
无法从从互联网访问公司内网，是因为地址转换设备表中没有相应的记录，因此我们只需事先手动添加这样的记录就可以了，如下图所示。一般来说，用于外网访问的服务器可以放在地址转换设备的外面并为它分配一个公有地址，也可以将服务器的私有地址收到添加到地址转换设备中，这样就可以从互联网访问到这台具有私有地址的服务器了。
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