漫游计算机网络之设备篇
网络层及以上
1. 网关 Gateway
简单来说，网关是一种能连接两个不同网络的设备，它在网络层或更高层起作用，负责协议转换、地址转换、路由转发等功能。
你可以简单的理解为，所有网关都是路由器，不过路由器并不一定是网关。
几种简单的类型包括：
- 默认网关（Default Gateway）：连接子网与外部网络的设备（通常是路由器）；
- 比如你在家里笔记本电脑需要通过家里的局域网访问互联网，你家的路由器的 IP 地址就是你的默认网关；
- 应用层网关（Application Gateway）：邮件网关，HTTP 代理服务器等；
2. 路由器 Router
不讲了。
3. NAT
3.1 NAT 是什么？
NAT ，即 Network Address Translation ，网络地址转换。是在路由器或防火墙上进行的技术，一般需要专门支持 NAT 的路由器，称之为 NAT Router 。
3.2 NAT 有什么用？
把私有 IP 地址转换为公有 IP 地址（或反之） 的技术，使得多个私有网络设备可以通过一个或少量公网地址访问互联网。
注：也可能将 TCP/UDP 的端口号一起进行转换。
私有地址包括：
- 10.0.0.0 ～ 10.255.255.255/8；
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255/12；
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255/16；
3.3 工作过程
3.4 常见 NAT 类型
- 动态 NAT 表项：
- 当内部主机需要访问公网时才建立 NAT 表项；
- 动态创建和回收（连接关闭或长久未使用时回收）；
- 私有 IP 从公网 IP 池中动态选取一个进行映射，动态创建表项；
- 静态 NAT 表项：
- 手动创建并配置表项，一个私有 IP 对应一个固定公网 IP ；
- 映射关系固定；
3.5 评价
- 优点：
- 节省了 IPv4 地址；
- 增加了内网安全性；
- 更灵活；
- 缺点：
- 作为网络层，更改了传输层的端口，打破了端到端的通信；
- 只是 IPv6 协议的过渡方案；
数据链路层
1. NIC 网卡
网络接口卡，Network Interface Card ，简称网卡，是计算机或其他网络设备与网络进行通信的硬件接口。
1.1 功能
网卡负责实现物理层和数据链路层的协议功能，包括：
- 发送与接收帧
- 实现 MAC 地址识别与封装
- 执行数据链路层和物理层的一些功能
- 提供驱动程序供操作系统使用
1.2 常见类型
- 以太网网卡：最常见，用于连接局域网，通过网线（RJ45）；
- 无线网卡：实现 Wi-Fi，无需网线，常见于笔记本；
1.3 网卡号
网卡号，即网络接口卡（NIC）的硬件地址 —— 也就是 MAC 地址。
全球唯一，由网卡厂商在出厂时烧录。作用范围是同一局域网。
2. Switch 交换机
2.1 功能
交换机（Switch）是一种工作在 数据链路层 的网络设备，它根据每台主机的 MAC 地址 来决定将数据帧转发到哪个端口，从而高效地连接多个局域网设备。
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 帧转发 | 根据 MAC 地址决定数据应发往哪个端口 |
| MAC 学习功能 | 自动学习每台设备的 MAC 所在的端口，并建立 MAC 地址表 |
| 广播隔离 | 只将帧发往目的主机对应端口，而不是所有端口（不像 Hub） |
| 全双工通信 | 支持同时收发，提高带宽效率 |
| 冲突域隔离 | 每个端口是独立冲突域，避免传统 Hub 的冲突问题 |
相较于 Hub ，其优点主要就是支持全双工通信，并且隔离了冲突域。
2.2 类型
- 直通式（Cut-Through）：边接收数据帧边根据帧头的目的地址直接转发；
- 无法检查错误；
- 输入输出速率相同；
- 延迟低；
- 存储转发式（Store-and-Forward）：缓存整个数据帧，检查数据包是否正确，过滤掉碰撞的残帧和 CRC 错误帧，再根据目的 MAC 地址转发；
- 支持差错检测；
- 支持不同输入/输出端口的交换；
- 延迟高；
2.3 交换机的转发表
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| MAC 地址 | 设备的硬件地址，用于唯一标识局域网中的主机 |
| 端口号（接口） | MAC 地址所在的交换机端口号 |
| 时间戳 / 老化计时器 | 用于判断该项是否长期未被使用，控制老化删除 |
有些高级交换机还会记录 VLAN ID，用于支持 VLAN 分布式转发。
当交换机的某个端口接收到一个以太网帧时，执行 MAC 学习过程：
- 查看该帧的源 MAC 地址；
- 如果该 MAC 地址不在表中，或端口发生变化；
- 则在转发表中添加 / 更新该 MAC 对应的端口号与时间戳；
这其实和网桥的学习过程是很像的。
为了防止转发表无限增大或信息过期，交换机会在：
- 某个 MAC 地址在一段时间（比如 300 秒）没有出现；
- 该项对应的端口断开或设备下线；
此时会触发：老化机制（Aging Mechanism），删除这项。
3. Bridge 网桥
网桥，用于连接多个局域网，并进行帧的存储和转发，延迟增加。即插即用。
注：网桥隔离了冲突域，但并未隔离广播域，无法防止广播风暴！
广播域 Broadcast Domain：站点发送广播帧时，收到该帧的站点与其处在同一个广播域。连接在一个交换机、网桥或集线器的所有站点同处一个广播域。
3.1 学习网桥
3.1.1 后向学习 Backward Learning
用于构造转发表，主要涉及泛洪 Flooding 、丢弃 Discard 、转发 Forwarding 三种操作。将帧中的源 MAC 地址和输入端口的映射关系加入到转发表。
3.1.2 生成树网桥
断环，构造无环树。
3.2 网桥 vs. 交换机
| 对比项 | 网桥（Bridge） | 交换机（Switch） |
|---|---|---|
| 端口数量 | 少（2~4 个） | 多（通常为 24、48 个） |
| 学习实现方式 | 主要基于软件实现，效率较低 | 使用 ASIC（专用集成电路）硬件转发，高效快速 |
| MAC 表容量 | 小（适用于小型网络） | 大（适用于大型复杂网络） |
| 处理 | 一次只能处理一帧 | 可以并行处理多路 |
| 转发机制 | 软件查表+转发（存储转发） | 硬件查表+线速转发（可以使用直通式） |
| 延迟和吞吐量 | 较高延迟，低吞吐 | 低延迟，高吞吐（适合现代多业务网络） |
| 管理和功能 | 简单，通常不支持 VLAN、QoS 等高级功能 | 丰富，支持 VLAN、QoS、端口镜像、生成树等 |
| 协议支持 | 支持生成树协议（STP） | 支持生成树 + 多种扩展（RSTP、MSTP 等） |
物理层
1. Hub 集线器
- 物理上星型，逻辑上总线型，即冲突域仍包括和 Hub 连接的所有设备；
- 参数
100 Base -T X含义：- 100 ：100 Mbps，传输速率；
- Base ：使用基带传输，不调制；
- T ：双绞线，传输媒介；
- X ：编码方式，一般采用 Manchester 编码；
2. Repeater 中继器
一句话，就是接收、放大、再生信号，并将其转发到更远的物理距离，从而扩展网络的传输范围。
| 功能 | 描述 |
|---|---|
| 放大信号 | 补偿信号在传输过程中的衰减（如电缆越长越弱） |
| 再生信号 | 还原数字信号的波形，使其更“干净”，减少误码率 |
| 扩展物理距离 | 使网络电缆可超出单段长度限制，例如 Ethernet 的 100 米限制 |
- 半双工；
- 用于将两个总线型的以太网连接；
- 中继器只是“看到信号波形”，并进行电气层面的复制和放大，不识别具体内容；
冲突域 Collision Domain：两个站点不能同时发送数据，则这两个站点属于一个冲突域。连接在一个集线器（或者用中继器 repeater 连接的多个网段）的所有站点属于一个冲突域。
3. Transponder 转发器
卫星通信中使用，监听地面的上行电波，经过放大后再以另一种频率的下行电波广播给地面天线。
4. 数字通信系统的有关设备
4.1 模拟信号数字化 —— CodeC
信源编/解码器 CodeC：模拟信号 数字信号；
采样、量化、编码，e.g. PCM（Pulse Code Modulation 脉码调制），采样率为 ，每秒采样 bits ，数据率/带宽为 64 kbps；
4.2 数字基带信号传输 —— 信道编码器
和加密器一起，主要是给数字序列加一些冗余位等。
4.3 带通信号传输 —— Modem 调制器
Modem ，调制器，用于将基带信号转换为带通信号。
4.4 多路信号复用到同一信道 —— Multiplexer 多路复用器
多路复用器，使用多路复用技术，来提高信道利用率，包括：
- TDM 时分复用：
- STDM 同步时分复用，e.g. PCM ；
- ATDM 统计/异步时分复用，e.g. 介质访问控制；
- FDM 频分复用：e.g. ADSL 非对称数字用户线；
- WDM 波分复用；
- CDM 码分复用；
4.4 ADSL Modem
4.5 DSLAM
DSLAM ，全称 Digital Subscriber Line Access Multiplexer ，即数字用户线接入复用器，属于局端设备。是电信运营商用来将多个 DSL 用户的信号集中接入、并转发到互联网的设备。
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