《网络是怎样连接的》（三）-编程知识

《网络是怎样连接的》（二.2）_qq_38480311的博客-CSDN博客

本文主要取材于《网络是怎样连接的》第三章。

简述：本文主要内容是解释通过网线传输出去的包是如何经过集线器、交换机和路由器等网络设备，最终进入互联网的。

信号从网卡发出会经过集线器，集线器会把信号广播至连到它的所有线路；信号从出发到集线器中间会有信号衰减和噪声，利用双绞线可以抑制噪声。经过集线器后会经过交换机，交换机的每个接口都相当于一块网卡，但是却没有MAC地址，交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口。接下来，信号会经过路由器，路由器会通过端口将发过来的包接收进来，转发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，以此判断转发目标。然后，转发模块将包转移到转发目标对应的端口。由于路由器端口支持多种网络协议，其发送时还需要根据包的长度判断是否分片。IP是负责通信发送到接收端的协议，以太网是负责每一跳的协议。为了解决IP地址不够的问题，一个私有网络对外只使用一个共有IP号，路由器具有地址转换功能可根据端口号找到私网内每一个设备。同时，路由器还具有包过滤功能来阻止非法入侵。

3.1 信号在网线和集线器中传输

网络包从客户端计算机发出之后，要经过集线器、交换机和路由器最终进入互联网。实际上，我们家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能，像图上这样使用独立设备的情况很少见。不过，把每个功能独立出来更容易理解。

从网卡到集线器

信号衰减：

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，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。然而信号到达集线器的时候并不是跟刚发送出去的时候一模一样，集线器收到的信号有时会出现衰减（图3.3）。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。

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个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。即便线路条件很好，没有噪声，信号在传输过程中依然会发生失真，如果再加上噪声的影响，失真就会更厉害。噪声根据强度和类型会产生不同的影响，无法一概而论，但如果本来就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。

噪声抑制：

局域网网线使用的是双绞线，其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起，这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。

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会混杂在一起，导致信号的波形发生失真。

影响网线的电磁波分为两种，一是由电机、荧光灯、CRT显示器等设备泄漏出来的电磁波，另一种电磁波是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。双绞线（a）通过两根信号线的缠绕抵消外源性噪声；（b）通过改变节距抑制内源性噪声。

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。然后由设备根据接收方MAC地址来判断应该接收哪些包。

3.2 交换机的包转发操作

这部分操作和网卡基本相同，大家可以认为交换机的每个网线接口后面都是一块网卡。网线接口和后面的电路部分加在一起称为一个端口，也就是说交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡。但交换机的工作方式和网卡有一点不同。网卡本身具有MAC地址，并通过核对收到的包的接收方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；相对地，交换机的端口不核对接收方MAC地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此，和网卡不同，交换机的端口不具有MAC地址。

交换电路工作原理

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。举个例子，假设现在要将包从2号端口发送到7号端口，那么信号会从输入端的2号线进入交换电路，这时，如果让左起的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。

交换机根据MAC地址表查找MAC地址，然后将信号发送到相应的端口。发送前确认信号收发模块中的接收线路没有信号进来，如检测到其他信号，则需要等待。

MAC工作表的维护

维护操作分为两种：一是收到包时，将发送方MAC地址以及其输入端口的号码写入MAC地址表中；二是删除地址表中某条记录的操作，这是为了防止设备移动时产生问题，只需要将一段时间不使用的过时记录从地址表中删除就可以了。

当MAC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，或者这个设备一段时间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。。局域网中每秒可以传输上千个包，多出一两个包并无大碍。

双工模式和自动协商功能

交换机的全双工模式可以同时发送和接收信号。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。当两台设备通电并完成硬件初始化之后，就会开始用脉冲信号发送自己支持的速率和工作模式。当对方收到信号之后，会通过读取脉冲信号的排列来判断对方支持的模式，然后看看双方都支持的模式有哪些。

交换机和集线器对比：

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。集线器会将输入的信号广播到所有的端口，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

网络包经过集线器和交换机之后，现在到达了路由器，并在此被转发到下一个路由器。区别是路由器是基于IP设计的，而交换机是基于以太网设计的。路由器的端口模块则支持除局域网之外的多种通信技术，如ADSL、FTTH，以及各种宽带专线等，只要端口模块安装了支持这些技术的硬件即可。

路由器工作整体流程：

首先会通过端口将发过来的包接收进来，这一步取决于端口对应的通信技术。接下来，转发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，以此判断转发目标。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。

路由器的端口模块根据相应通信技术的规范来执行包收发的操作，是以实际发送方或者接收方来收发网络包的。以以太网协议为例，不同于交换机，路由器的而每个端口都具有MAC地址，也具有IP地址，而交换机没有，交换机只负责转发操作。

路由器有路由表，转发操作是根据路由表查询的。路由器会将接收到的网络包的接收方IP地址与路由表中的目标地址进行比较，并找到相应的记录。交换机在地址表中只匹配完全一致的记录，而路由器则会忽略主机号部分，只匹配网络号部分。打个比方，路由器在转发包的时候只看接收方地址属于哪个区，××区发往这一边，××区发往那一边。路由也具有路由聚合功能，不细讲。

对路由表进行维护的方法有几种，大体上可分为以下两类。

（a）由人手动维护路由记录

（b）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其中

（b）中提到的路由协议有很多种，例如RIP、OSPC、BGP等都属于路由协议。

路由器的包接收操作：路由器的端口有各种不同的类型，这里我们只介绍以太网端口是如何接收包的。信号到达网线接口部分，其中的PHY（MAU）模块和MAC模块将信号转换为数字信息，然后通过包末尾的FCS进行错误校验，如果没问题则检查MAC头部中的接收方MAC地址，看看是不是发给自己的包，如果是就放到接收缓冲区中，否则就丢弃这个包。如果包的接收方MAC地址不是自己，说明这个包是发给其他设备的，如果接收这个包就违反了以太网的规则。

查询路由表确定输出端口：完成包接收操作之后，路由器就会丢弃包开头的MAC头部。接下来，路由器会根据MAC头部后方的IP头部中的内容进行包的转发操作。判断转发目标的第一步，就是根据包的接收方IP地址查询路由表中的目标地址栏，以找到相匹配的记录。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[插图]消息告知发送方。这里的处理方式和交换机不同，原因在于网络规模的大小。交换机连接的网络最多也就是几千台设备的规模，这个规模并不大[插图]。

路由包更新和分片

从路由表中查找到转发目标之后，网络包就会被转交给输出端口，并最终发送出去，但在此之前，路由器还有一些工作要完成。第一个工作是更新IP头部中的TTL（Time to Live，生存时间）字段（参见第2章的表2.2）。TTL字段表示包的有效期，包每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。现在的互联网即便访问一台位于地球另一侧的服务器，最多也只需要经过几十个路由器，因此只要包被正确转发，就可以在过期之前到达目的地。

路由器的端口并不只有以太网一种，也可以支持其他局域网或专线通信技术。不同的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，ADSL、FTTH等宽带接入技术中使用的PPPoE[插图]协议就属于这种情况。无论哪种情况，一旦转发的包长度超过了输出端口能传输的最大长度，就无法直接发送这个包了。遇到这种情况，可以使用IP协议中定义的分片功能对包进行拆分，缩短每个包的长度。最大包长度是由端口类型决定的，用这个最大长度减掉头部的长度就是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，那么就可以不分片直接发送；如果输出端口的MTU太小，那么就需要将包按照这个MTU进行分片，但在此之前还需要看一下IP头部中的标志字段，确认是否可以分片。

包的发送操作取决于输出端口的类型。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；如果是ADSL则按照ADSL的规则来转换，以此类推。

路由器与交换机的关系：

从本质上说是将IP包装进以太网包的数据部分中，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给交换机来进行。

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的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头部中的，这表示IP对以太网的委托只是将包传输到下一个路由器就行了。

简单理解：IP是负责通信发送到接收端的协议，以太网是负责每一跳的协议。

网络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之间的关系又是什么样的呢？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，那么就委托无线局域网将包传输过去；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。

3.4 路由器的附加功能

地址转换

地址转换是因为如果给每一个设备都分配一个IP地址，地址就会不够用。因而其实可以把网络分区，外部交流使用公有地址，内部使用私有地址，共有和私有的地址转换就是地址转换。在一个私有网络内，IP不可以重复，而对外只使用一个共有地址，可以用不同的端口号来区别内网中的不同终端。即IP相同，但是端口号不同，仍然可以识别相应的设备。