网络原理-集线器,网桥,交换机,路由器,网关详解

二层交换机工作于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。

具体可分为：

• 直通转发（cut-through）：数据包的前6个字节（MAC地址）一到达交换机，即确定目的地址，向相应端口转发该数据包。这时可能该数据包在接收端口还没有传输完。适用于网络质量好，误码率低的情形。
• 存储转发（store-and-forward）：交换机把收到的完整数据包暂存，然后检查其校验和或其他；通过检验的数据包再读取其目的地址，向相应端口转发。
• 无帧（fragment-free）：基本类似于直通转发。但对数据包的前64个字节做存储-校验-转发。因为大部分误码、碰撞（collision）发生在数据包头64字节。

通常，交换机采取直通转发，如果误码率上升到某个阈值，再改用存储转发。

当一台交换机安装配置好之后，其工作过程如下：

• 收到某网段（设为A）MAC地址为X的计算机发给MAC地址为Y的计算机的数据包。交换机从而记下了MAC地址X在网段A。这称为学习（learning）。
• 交换机还不知道MAC地址Y在哪个网段上，于是向除了A以外的所有网段转发该数据包。这称为泛洪（flooding）。
• MAC地址Y的计算机收到该数据包，向MAC地址X发出确认包。交换机收到该包后，从而记录下MAC地址Y所在的网段。
• 交换机向MAC地址X转发确认包。这称为转发（forwarding）。
• 交换机收到一个数据包，查表后发现该数据包的来源地址与目的地址属于同一网段。交换机将不处理该数据包。这称为过滤（filtering）。
• 交换机内部的MAC地址-网段查询表的每条记录采用时间戳记录最后一次访问的时间。早于某个阈值（用户可配置）的记录被清除。这称为老化（aging）。

对于全交换（full-switch）局域网，交换机每个端口只连接一台设备，因此不会发生碰撞。交换机也不需要做过滤。

传统交换机（二层交换机）

交换机被广泛应用于二层网络交换。中档的网管型交换机还具有VLAN划分、端口自动协商、MAC访问控制列表等功能，并提供命令行界面或图形界面控制台，供网络管理员调整参数

网桥和二层交换机的区别

交换机与网桥的区别（这里说的交换机就是我们常见的最普通的二层交换机）
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。

三层交换机

三层交换机则可以处理第三层网络层协议，用于连接不同网段，通过对缺省网关的查询学习来创建两个网段之间的直接连接。

三层交换机具有一定的“路由”功能，但只能用于同一类型的局域网子网之间的互连。这样，三层交换机可以像二层交换机那样通过MAC地址标识数据包，也可以像传统路由器那样在两个局域网子网之间进行功能较弱的路由转发，它的路由转发不是通过软件来维护的路由表，而是通过专用的ASIC芯片处理这些转发；

四层交换机

四层交换机可以处理第四层传输层协议，可以将会话与一个具体的IP地址绑定，以实现虚拟IP ^[1] ；

七层交换器

更加智能的交换器，可以充分利用频宽资源来过滤，识别和处理应用层数据转换的交换设备。

二层交换机与集线器的区别

交换机与集线器不同之处是，集线器会将网络内某一用户发送的数据包传至所有已连接到集线器的电脑。而交换机则只会将数据包发送到指定目的地的电脑（透过MAC表），相对上能减少数据碰撞及数据被窃听的机会。交换机更能将同时传到的数据包分别处理，而集线器则不能。

最大的不同之处在于:集线器的每一个接口都处于相同的冲突域，而交换机的每个接口处于一个冲突域。在性能方面尤为突出:例如在100Mb/s的以太网络中有100个用户，使用集线器，每个用户只有1Mb/s（100Mb/s/100），因为Hub是共享式的网络；而使用交换机，每个接口有100Mb/s，如果有100个接口，总带宽为100*100Mb/s（最终的带宽大小取决于输入接口的带宽；即如果输入端口只有10000M，则达到上限前，每个用户都能使用100M带宽，但一旦所有用户的总需求超过10000M，用户将在相同优先级的原则下进行带宽分配），因为交换机是独立式的网络。

二层交换机与路由器的区别

从时间线上看，路由器诞生于交换机之后，为了弥补交换机不能定向转发数据包的缺陷。

“交换”一词最早出现于电话系统，指两个不同电话交换机之间语音信号的交换。故从本意上讲，交换是完成信号由交换设备入口至出口的转发的技术的统称。路由器名称中的“路由”（router）来自于路由器的转发策略–路由选择（routing）。交换机和路由器的区别有但不局限于以下几点（这里的交换机和路由器都是常规型号的）：

1.两者工作在OSI模型的不同层次上

交换机工作在OSI模型第二层数据链路层，路由器工作在OSI模型第三层网络层。网络层提供更多的协议信息，方便路由器做出更加智能的转发选择。

2.两者转发时所依据的对象不同

交换机是基于MAC地址识别，实现封装数据包转发。路由器基于网络ID号（IP地址）。MAC一般被固化在网卡中，不可更改。而IP地址可以被系统或网络管理员进行设置和分配。

3.两者转发广播数据包的域不同

被交换机连接起来的网络属于同一广播域，广播数据包会在网络内所有网段上进行传播。连接在路由器上的网段则被分区为不同广播域，广播数据包只在各自广播域内传播而无法穿透路由器。路由器的这种子网隔离功能可以在一定程度上防止广播风暴。

三层交换机与路由器的区别

虽然三层交换机与路由器都具有路由转发功能，二者都运行在OSI模型的第三层，即网络层，但是二者并不等同，适用范围也不同，不会相互替代。

1.主打功能不同

三层交换机的主打的功能点是二层交换技术，并附加一点路由转发功能。路由器的主打功能是路由转发，并可能附加一些备用功能，比如硬件防火墙、二层交换技术等其它功能。

2.适用环境不同

三层交换机的路由转发功能一般都比较粗略，由于它一般用在简单的接入网的连接。它在以太网中的主要作用还是提供快速的二层数据交换，功能特点还是针对频繁的以太网数据交换。

路由器的设计初衷就是为了跨网段连接。尽管它也能在局域网内用于连接网络，但是它的路由转发功能主要用于不同类型网络之间，例如连接局域网与广域网，连接以太网和令牌环网。它的主打功能就是路由转发，专业处理复杂路由路径和复杂的网络连接。因此，路由器的路由转发功能，比三层交换机强大得多。路由器的优势是能够选择最佳路由、负荷分担、链路备份以及与其他网络进行路由信息的交换等功能。为了能够适应各种类型的网络，路由器的接口类型非常丰富，例如以太网接口、令牌环网接口、WLAN网卡、光纤接口等等。三层交换机一般只有以太网接口。

3.性能不同

三层交换机的路由转发是由硬件实现的，使用专用ASIC芯片来处理路由转发。路由器的路由转发是由软件实现的，在CPU中运行一段程序来处理路由转发。

所以三层交换机的转发效率会高过路由器，但是路由转发的功能都比较弱，由于路由转发功能是固化在硬件中的，不具有软件可扩展性，也就不会具有路由器的附加功能（例如防火墙功能）。