中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关

       

       中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关常常计算机网络体系出现在各个角落，有时候容易混淆 。单从概念上说，很多时候这些网络设备并无太严格的界限，都具有网络通信、中转功能 ，而且现代技术工艺的发展，这些设备很多已开始趋于相似。但是由于网络流量、设备数量等巨大差异，其角色的充当却并不是每种设备都能胜任， 在概念逻辑上 ，常常以它们所处的网络层次来进行划分，而深层次的划分，需要从设备是否有MAC/IP、不同协议的兼容性 、通信数量、学习记忆、汇聚和其充当的角色大小等功能上划分。

      ISO9001把网络分为7个逻辑层由下至上分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。相对应的 ，各网络设备安置位置如下图所示。

        一般来说，高层设备兼并低层设备的功能，所以强弱排序是网关-路由器-网桥-交换机-集线器-中继器，制作工艺也是由高到低。就这一特性,现在的网络设备越来越便宜,一般的小型网络或者家庭网络中,路由器\交换机已经取代了集线器或者中继器这类设备,甚至于单个的计算机中,比如一台计算机配置了两个或者两个以上的网卡,我们完全可以将这些网卡做一个负载均衡,而原来的网卡则相当于一个接收分发的终端,负载均衡的虚拟设备也可以算作为路由或者交换机.在逻辑或者应用层面,网关就提供了不同协议层交换数据的通道.

      物理层：中继器（Repeater）和集线器（Hub）。用于连接物理特性相同的网段，这些网段，只是位置不同而已。Hub 的端口没有物理和逻辑地址。 

      链路层：网桥（Bridge）和交换机（Switch）。用于连接同一逻辑网络中、物理层规范不同的网段，这些网段的拓扑结构和其上的数据帧格式，都可以不同。

       网络层：路由器（Router）。用于连接不同的逻辑网络。Router的每一个端口都有唯一的物理地址和逻辑地址。

      应用层：网关（Gateway）。用于互连网络上，使用不同协议的应用程序之间的数据通信。

     中继器

     中继器(Repeater)是连接网络线路的一种装置,常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备,主要完成物理层的功能,负责在两个节点的物理层上按位传递信息,完成信号的复制、调整和放大功能,以此来延长网络的长度。它在OSI参考模型中的位置物理层。

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       由于存在损耗, 在线路上传输的信号功率会逐渐衰减,衰减到一定程度时将造成信号失真,因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的。它完成物理线路的连接,对衰减的信号进行放大,保持与原数据相同。

中继器是模拟设备，用于连接两根电缆段。中继器不理解帧、分组和头的概念，他们只理解电压值。

        集线器

       集线器（HUB），它的作用可以简单理解为将一些机器连接起来组成一个局域网。差不多就是个多端口的中继器，把每个输入端口的信号放大再发到别的端口去，集线器可以实现多台计算机之间的互联，因为它有很多的端口，每个口都能连计算机。

       集线器不具有类似于网桥、交换机的"智能记忆"能力和"学习"能力。它也不具备交换机所具有的MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。

       网桥

       网桥(Bridge)是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。网桥是属于数据链路层的一种设备，它的作用是扩展网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离，同时又有选择地将现有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。

       网桥工作在数据链路层，将两个LAN(局域网)连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）

        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（因为该包在HUB中已经被转发），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。

        交换机

       网桥只有两个端口。随着网络设备的发展，逐渐产生了多个端口的“网桥”，但是由于网桥是数据链路层的广播通信，A和G通信的时候，B和F就没法通信——一个桥上多个通信将产生冲突。为了能够实现多对多的通信，于是产生了交换机。

        交换机（Switch）可以说同时是集线器和网桥的升级换代产品，因为交换机具有集线器一样的集中连接功能，同时它又具有网桥的数据交换功能。所以可以这样说，交换机是带有交换功能的集线器，或者说交换机是多端口的网桥。外形上，集线器与交换机产品没什么太大区别。

         交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域，但它不能划分网络层广播，即广播域。

         从广义上来看，交换机分为两种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。另一方面，从应用的规模来看，作为骨干交换机时，支持500个信息点以上大型企业应用的交换机为企业级交换机，支持300个信息点以下中型企业的交换机为部门级交换机，而支持100个信息点以内的交换机为工作组级交换机。本文所介绍的交换机指的是局域网交换机。

        路由器

       路由器（Router），是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。 路由器是互联网络的枢纽，"交通警察"。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在OSI参考模型第二层（数据链路层），而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。

       路由器（Router）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

         从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在网络数据链路层，从物理上划分网段的交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如，一台支持IP协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。对于每一个接收到的数据包，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理地址的交换机慢。但是，对于那些结构复杂的网络，使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。总体上说，在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。

       网关

       网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同层--应用层。

       网关 是互联网工作在OSI传输层上的设施。提供传输层到应用层全方位的服务，一般提供集中协议的服务。网关可以对数据重新分组，以便能在两个不同网络间进行通信。如NetWare与UNIX操作系统互操作，sNA(IBM)与TCP／IP(Internet)互连等就需要网关转换。

       常见的网关类型有局域网网关和Internet网关。局域网网关提供局域网之间数据传送的通道。如AppleTalk与TCP／IP或IPX与TCP／IP等协议转换的网关；Internet网关将非TCP／IP协议转换为TCP／IP协议式等。各种网络互联设备与OSI的对应关系如图所示。

       网关用于类型不同且差别较大的网络系统间的互连，或用于不同体系结构的网络或者局域网与主机系统的连接。在互连设备中，它最为复杂，一般只能进行一对一的转换，或是少数几种特定应用协议的转换。它的概念模型如图(a)概念模型所示。

        图(b)给出了网关的工作原理示意图。如果一个NetWare节点要与TCP／IP的主机通信，因为NetWare和TCP／IP协议是不同的，所以局域网中的NetWare节点不能直接访问。它们之间的通信必须由网关来完成。网关的作用是为NetWare产生的报文加上必要的控制信息，将它转换成TCP／IP主机支持的报文格式。当需要反方向通信时，网关同样要完成TCP／IP报文格式到NetWare报文格式的转换。

       网关按其功能可以分为三种类型：协议网关、应用网关和安全网关。

       ①协议网关

协议网关通常在使用不同协议的网络间做协议转换工作，这是网关最常见的功能。协议转换必须在数据链路层以上的所有协议层都运行，而且要对节点上使用这些协议层的进程透明。协议转换必须考虑两个协议之间特定的相似性和差异性，所以协议网关的功能十分复杂。

      ②应用网关

       应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是在不同数据格式间翻译数据的系统。这类网关一般只适合于某种特定的应用系统的协议转换。

       ③安全网关

       安全网关就是防火墙。与网桥一样，网关可以是本地的，也可以是远程的。另外，一个网关还可以由两个半网关构成。目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。

       网关功能 

      ①具有协议转换能力。

      ②具有流量控制和拥塞控制的能力。

     ③具有在各网络之间可靠传送信息的能力。

     ④具有路由选择功能。

     ⑤具有将分组分段和组装的能力。

      网关用途 

      ①异构型局域网互联。

      ②局域网与WAN互联。

      ③WAN与WAN互联。