中继器(转发器)，集线器，网桥，交换机介绍（中继器 网桥）

中继器(转发器)，集线器，网桥，交换机介绍（中继器 网桥）

1. 物理层设备

1.1 中继器

中继器又称转发器，主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后，因噪声或其他原因而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的事求，进而扩网络传输的距离。其原理是信号再生（而非简单地将衰减的信号放大)。中继器有两个端口，数据从一个端口输入，再从另一个端口发出。端口仅作用于信号的电气部分，而不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

中继器是局域网环境下用来扩大网络规模的最简单、最廉价的互联设备。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。但由于中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网。中继器两端的网络部分是网段，而不是子网。中继器若出现故障，对相邻两个网段的工作都将产生影响。

从理论上讲，中继器的使用数目是无限的，网络球而也可以无限延长。但事实上这不可能，因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。例如，在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余两段只能用作扩展通信范围的链路段，不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。

注意：放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议，如果该网络设备没有存储转发功能，那么认为它不能连接两个不同的协议。中继器是没有存储转发功能的，因此它不能连接两个速率不同的网段，中继器两端的网段一定要使用同一个协议。

1.2 集线器

集线器（Hub）实质上是一个多端口的中继器，不能存储转发。它的每个接口仅仅简单地转发比特——收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。若两个接口同时有信号输入（即发生碰撞），那么所有的接口都将收不到正确的帧。下图是具有三个接口的集线器的示意图。

2.数据链路层设备

2.1 网桥

网桥（Bridge）是早期的两端口二层网络设备。

两个或多个以太网通过网桥连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。如果把网桥换成工作在物理层的转发器，那么就没有这种过滤通信量的功能。由于各网段相对独立，因此一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。

注意：网桥处理数据的对象是帧，所以它是工作在数据链路层的设备，中继器、放大器处理数据的对象是信号，所以它是工作在物理层的设备。

网络1和网络2通过网桥连接后，网桥接收网络1发送的数据帧，检查数据帧中的地址，如果是网络2的地址，那么就转发给网络2；如果是网络1的地址，那么就将其丢弃，因为源站和目的站处在同一个网段，目的站能够直接收到这个帧而不需要借助网桥转发。

如图3.32所示，设每个网段的数据率都是10Mb/s，那么三个网段合起来的最大吞吐量就变成了30Mb/s。如果把两个网桥换成集线器或转发器,那么整个网络仍然是一个碰撞域(即冲突域)，当A和B通信时，所有其他站点都不能通信，整个碰撞域的最大吞吐量仍然是10Mb/s。

2.2 交换机

以太网交换机的实质是一个多端口的网桥，在数据链路层使用MAC地址转发数据。通过引入路由功能，一些交换机也可以在网络层转发数据，这种交换机一般被称为三层交换机或者多层交换机。

以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。

交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。

交换机对数据包的转发是创建在MAC地址——物理地址基础之上的，对于IP网络协议来说，它是透明的，即交换机在转发数据包时，不知道也无须知道信源机和信宿机的IP地址，只需知其物理地址。

交换机在操作过程当中会不断的收集资料去创建它本身的一个地址表，这个表相当简单，它说明了某个MAC地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机收到一个TCP/IP 数据包时，它便会查看该数据包的目的MAC地址，核对自己的地址表以确认应该从哪个端口把数据包发出去。由于这个过程比较简单，加上这功能由一崭新硬件进行——ASIC，因此速度相当快。一般只需几十微秒，交换机便可决定一个IP数据包该往哪里送。

如果目的地MAC地址不能在地址表中找到时，交换机会把IP 数据包“扩散”出去，即把它从每一个端口中提交去，就如交换机在处理一个收到的广播数据包时一样。二层交换机的弱点正是它处理广播数据包的手法不太有效，比方说，当一个交换机收到一个从TCP/IP工作站上发出来的广播数据包时，他便会把该数据包传到所有其他端口去，哪怕有些端口上连的是IPX或DECnet工作站。这样一来，非TCP/IP节点的带宽便会受到负面的影响，就算同样的TCP/IP节点，如果他们的子网跟发送那个广播数据包的工作站的子网相同，那么他们也会无缘无故地收到一些与他们毫不相干的网络广播，整个网络的效率因此会大打折扣。

交换机实现虚拟局域网VLAN

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN，具体可以参考这篇文章：虚拟局域网。

以太网交换机的自学习功能

我们用一个简单例子来说明以太网交换机是怎样进行自学习的。

假定在图3-25中的以太网交换机有4个接口，各连接一台计算机，其 MAC 地址分别是A，B，C和D。在一开始，以太网交换机里面的交换表是空的（图3-25(a))。

A 先向B发送一帧，从接口1进入到交换机。交换机收到帧后，先查找交换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧（在MAC地址这一列中，找不到目的地址为B的项目)。接着，交换机把这个帧的源地址A和接口1写入交换表中，并向除接口1以外的所有接口广播这个帧（这个帧就是从接口1进来的，当然不应当把它再从接口1转发出去)。C和D将丢弃这个帧，因为目的地址不对。只B才收下这个目的地址正确的帧。这也称为过滤。

从新写入交换表的项目(A，1)可以看出，以后不管从哪一个接口收到帧，只要其目的地址是A，就应当把收到的帧从接口1转发出去。这样做的依据是:既然A发出的帧是从接口1进入到交换机的，那么从交换机的接口1转发出的帧也应当可以到达A。

假定接下来B通过接口3向A发送一帧。交换机查找交换表，发现交换表中的MAC地址有A。表明要发送给A 的帧（即目的地址为A的帧）应从接口1转发。于是就把这个帧传送到接口1转发给A。显然，现在已经没有必要再广播收到的帧。交换表这时新增加的项目(B.3)，表明今后如有发送给B的帧，就应当从接口3转发出去。

经过一段时间后，只要主机C和D也向其他主机发送帧，以太网交换机中的交换表就会把转发到C或D应当经过的接口号(2或4)写入到交换表中。这样，交换表中的项目就齐全了。要转发给任何一台主机的帧，都能够很快地在交换表中找到相应的转发接口。

考虑到有时可能要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此，在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。用这样的方法保证交换表中的数据都符合当前网络的实际状况。

以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，因此非常方便。但有时为了增加网络的可靠性，在使用以太网交换机组网时，往往会增加一些冗余的链路。在这种情况下，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。我们用图3-26的简单例子来说明这个问题。

在图3-26中，假定一开始主机A通过接口交换机#1向主机B发送一帧。交换机#1收到这个帧后就向所有其他接口进行广播发送。现观察其中一个帧的走向：离开交换机#1的接口3→交换机#2的接口1→接口2→交换机#1 的接口4→接口3→交换机#2的接口1......。这样就无限制地循环兜圈子下去，白白消耗了网络资源。

为了解决这种兜圈子问题，IEEE的802.1D标准制定了一个生成树协议STP (SpanningTree Protocol)。其要点就是不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

2.3 网桥和交换机的区别

局域网交换机的基本功能与网桥一样，具有帧转发、帧过滤和生成树算法功能。但是，交换机与网桥相比还是存在以下不同：

1、交换机工作时，实际上允许许多组端口间的通道同时工作。所以，交换机的功能体现出不仅仅是一个网桥的功能，而是多个网桥功能的集合。即网桥一般分有两个端口，而交换机具有高密度的端口。

2、分段能力的区别

由于交换机能够支持多个端口，因此可以把网络系统划分成为更多的物理网段，这样使得整个网络系统具有更高的带宽。而网桥仅仅支持两个端口，所以，网桥划分的物理网段是相当有限的。

3、传输速率的区别

交换机与网桥数据信息的传输速率相比，交换机要快于网桥。

4、数据帧转发方式的区别

网桥在发送数据帧前，通常要接收到完整的数据帧并执行帧检测序列FCS后，才开始转发该数据帧。交换机具有存储转发和直接转发两种帧转发方式。直接转发方式在发送数据以前，不需要在接收完整个数据帧和经过32bit循环冗余校验码CRC的计算检查后的等待时间。

3. 网络层设备

路由器

路由器的结构，如何转发信息的？

参考文章：

《计算机网络考研复习指导》王道论坛 组编

《计算机网络（第7版）》谢希仁 编著

​​百度百科 - 网桥​​

​​维基百科 - 网络交换机​​

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