网络是如何连接的：中继、集线器、交换机与网桥

发表于 2018-09-09 分类于 Network Valine：本文字数： 4.2k 阅读时长 ≈ 4 分钟

之前一直对二层网络连接的知识体系模模糊糊，最近有空就总结了下。

这篇主要区分了一下常见的网络设备：

graph TB
    a(中继)
    b(集线器)
    c(网桥)
    d(交换机)
    e(网关)
    f(路由器)
%%

上述设备工作的 OSI 网络层次分别是：

graph TB
    L5(应用层/表示层/会话层)
    L4(传输层)
    L3(网络层)
    L2(数据链路层)
    L1(物理层)
    H1([网卡,中继,集线器])
    H2([网桥,交换机])
    H3([路由器,网关])
subgraph OSI网络模型
    L5 --> L4 --> L3 --> L2 --> L1
end
    H1 -.-> L1
    H2 -.-> L2
    H3 -.-> L3

classDef comment fill:#fff,stroke:gray,stroke-dasharray: 5 5
class H1,H2,H3 comment
%%

中继器 Repeater

为什么要有中继器？

当只有两台设备需要互相通信时，我们可以仅使用网线将设备连接起来。当两台需要通信的设备物理间隔比较远时，由于信号的衰减，我们就需要中继器来放大信号，使得信号传的更远。

理论上只有一进一出两个端口，将进入端口的信号转发至另一个端口。
单纯的信号放大装置，用来扩大信号的传输距离。
典型的例子是：家里 WIFI 信号不够好时，可以通过增加中继器或把额外的路由器设置为中继模式来扩展 WIFI 覆盖范围。

下面两中拓扑结构的最终效果是等价的：

flowchart LR

c1(A fas:fa-desktop) o--o h1(fas:fa-bolt 中继器) o--o c2(B fas:fa-desktop)

c3(A fas:fa-desktop) o---o c4(B fas:fa-desktop)
%%

中继器没有做到的事情：

中继器解决了远距离传播信号的问题。但是现实中我们不会仅仅只需两台设备互相通信，而是多台设备都能互相通信，这种情况下我们就需要更高级的设备了。

集线器 Hub

中继器解决了两台设备远距离通信的问题，但是当多台设备需要互相通信时，需要在任意两台设备之间连接一条网线，网络拓扑是这样的：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    c2(B fas:fa-desktop)
    c3(C fas:fa-desktop)

    c1 --- c2
    c1 --- c3
    c2 --- c3
%%

网络中每增加一台设备，主机 A 就增加一条网线，这显然是现实的。为了解决这个问题，集线器被发明了。

集线器用最简单的方式解决了多台设备互相通信的问题。具体的做法是：集线器有多个端口，可以连接多个设备（如下图）。当一台设备发送了数据帧，集线器会将这个数据帧转发至其他左右的端口。

下图是一个集线器构成的网络拓扑，A 发送了一个数据帧给 C，这个数据先被集线器收到：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    h1(fas:fa-boxes 集线器)
    c2(B fas:fa-desktop)
    c3(C fas:fa-desktop)
    c4(D fas:fa-desktop)
    c1 --> | 给 C 的消息 | h1
    h1 --- c2
    h1 --- c3
    h1 --- c4
%%

集线器将消息发送至除 A 外的每一台设备：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    h1(fas:fa-boxes 集线器)
    c2(B fas:fa-desktop)
    c3(C fas:fa-desktop)
    c4(D fas:fa-desktop)
    c1 --- h1
    h1 --> | 给 C 的消息 | c2
    h1 --> | 给 C 的消息 | c3
    h1 --> | 给 C 的消息 | c4
%%

之后 B、D 会将不需要的消息丢弃掉，C 收到的消息会被正常处理。这个过程中 B、D 两个设备的带宽就被浪费掉了。
由于使用集线器的通讯方式是广播通信（数据会发给每一个连接到集线器的设备），因此还会有一定的安全隐患。

总结集线器：

有多个端口，可以连接多台终端，让彼此存在互相通信的可能。
将一个端口的信号转发至其他所有的端口。
可以看成一个多端口的中继器。
缺陷
- 网络规模较小。
- 集线器的最大问题是多设备共享带宽。因为集线器同一个时刻仅能够执行一个收 / 发任务，所以网络拓扑中的设备越多，每台设备分到的带宽就越小，限制了网络的扩展。
- 数据帧以广播的方式发送（会发送到每台设备上），有信息泄漏的风险。

网桥 Bridge

为了解决集线器构成的网络拓扑中规模较小的问题，网桥被发明出来了。

至少有两端口。
集线器会对每个端口维护一个 MAC 地址列表。当某个端口连接的是主机时，记录的 MAC 地址就是该主机的 MAC 地址；当连接的是集线器时，记录的 MAC 地址就是集线器上连接的所有主机的 MAC 地址。
当网桥收到主机 / 集线器发来的数据帧时，会对比数据帧中的目的 MAC 地址，如果该地址不再对应端口的 MAC 地址表中，才会向另一个端口转发该数据帧。
相比于集线器连接的网络，可以减少无效的转发，提高效率。

其网络拓扑如下 (以两个端口的网桥为例)：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    c2(B fas:fa-desktop)
    c3(C fas:fa-desktop)
    c4(D fas:fa-desktop)
    c5(E fas:fa-desktop)
    c6(F fas:fa-desktop)
    c7(G fas:fa-desktop)
    c8(H fas:fa-desktop)
    h1(fas:fa-boxes 集线器 A)
    h2(fas:fa-boxes 集线器 B)
    b1(fas:fa-network-wired 网桥)
    c1 --- h1
    c2 --- h1
    c3 --- h1
    c4 --- h1
    h1 --- b1 --- h2
    h2 --- c5
    h2 --- c6
    h2 --- c7
    h2 --- c8

    com2(端口2:\nmacE,\nmacF,\nmacG,\nmacH,) 
    com1(端口1:\nmacA,\nmacB,\nmacC,\nmacD,)
    com1 -.- b1
    b1 -.- com2

    classDef comment fill:#fff,stroke:gray,stroke-dasharray: 5 5
    class com1,com2 comment
%%

如图上：

当 A 向 F 发送数据帧 AtoF。
- AtoF 会现被 A 发送集线器 A。
- 集线器 A 将 AtoF 发送到网桥（此时集线器 A 连接的是网桥的端口 1）。
- 网桥查看 F 是否在端口 1 对应的 MAC 表中存在：
  - 存在：网桥会丢弃该数据帧；
  - 不存在；接下来查找其他端口的 MAC 表，看 F 是否在某个表中存在：
    - 存在：从这个端口中转发该数据帧。
    - 不存在：则将 AtoF 从端口 1 以外的所有端口发送出去。（泛洪）
- 集线器 B 会将 AtoF 转发到 F 上，通信完成。
另一种情况，当 B 向 D 发送数据帧：BtoD。
- BtoD 会现被 B 发送集线器 A。
- 集线器 A 将 BtoD 发送到网桥。
- 网桥会对查看端口 1 对应的 MAC 地址表，D 的地址在 MAC 地址表中，则网桥不做转发。

网桥的 mac 地址表是怎么建立起来的？

还是以上面的过程为例：

当网桥刚刚开机，两个端口对应的 mac 地址表都为空。
假设网桥从端口 1 中收到一个 AtoE 发出来的数据帧，此时网桥会执行两个动作：
- 查看 E 的 MAC 地址时都在端口 1 的 MAC 表中；不在，于是向端口 2 转发该数据帧
- 取得数据帧中的源 MAC 地址（即 A），将其加入到端口 1 的地址表中。
假设此时网桥又从端口 1 收到一个 BtoA 的数据帧：
- 比对目的地址 A 是否在对应的地址表中；在，于是丢弃该数据帧，不做转发
- 将源地址 B 加入端口 1 的 MAC 地址表中。
下次再有目的地址是 A 或者 B 的数据帧从端口 1 到达时，网桥就知道不应该转发该数据帧了。

网桥建立的网络拓扑存在的缺陷

相对于集线器，网桥极大的减少了广播数据，使得数据帧被限制在较小的范围内。同时提高了带宽的利用率。但是网桥并不是完美的。

当 MAC 地址表为空时，网桥会转发收到的数据帧，使得该数据帧在网桥连接的网络上扩散，最终每台设备机器都会收到这个数据帧。
当网桥判断出目的 MAC 地址不在 MAC 表中时，会将数据帧发往桥的另一端。但是网桥并不知道另一端是否存在这个地址（事实上绝大部分时间都不在）。
在一些特殊的场景下，如广播 / 多播需求，网桥会将数据帧扩散到整个网络上，造成广播风暴。

交换机 Switch

交换机是一种性能增强版的网桥。
交换机通常具有较多的端口，每两个端口都可以作为一组网桥来使用。交换机可以看做是一堆网桥的合集。
同网桥一样交换机也维护了端口到 MAC 地址的映射表

两者在逻辑模型上并没有更多的区别。

网桥、交换机与生成树协议

拓展一下上面的例子，把两个端口的网桥换成多端口网桥（交换机），会出现这样一种网络拓扑：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    c2(B fas:fa-desktop)
    b1(fas:fa-network-wired 网桥1)
    b2(fas:fa-network-wired 网桥2)
    b3(fas:fa-network-wired 网桥3)
    c1 --> | AtoB| b1
    b1 --- b2
    b1 --- b3
    b2 --- b3
    b3 --- c2
%%

图中是一个三个网桥形成的环状结构，其中主机 A 发出一个数据帧 AtoB，根据上文的模型，B 的 MAC 地址不在网桥 1 左侧端口的 MAC 表中，网桥 1 会将 AtoB 转发至另外的两个端口：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    c2(B fas:fa-desktop)
    b1(fas:fa-network-wired 网桥1)
    b2(fas:fa-network-wired 网桥2)
    b3(fas:fa-network-wired 网桥3)
    c1 --- b1
    b1 --> | AtoB| b2
    b1 --> | AtoB| b3
    b2 --- b3
    b3 --- c2
%%

再下一步，网桥 2 将左侧端口收到的数据帧向右侧端口转发，同时网桥 3 将收到的数据帧向其余两个端口转发：

flowchart LR
    c1(A fas:fa-desktop)
    c2(B fas:fa-desktop)
    b1(fas:fa-network-wired 网桥1)
    b2(fas:fa-network-wired 网桥2)
    b3(fas:fa-network-wired 网桥3)
    c1 --- b1
    b1 --- b2
    b1 --- b3
    b2 -.-> | AtoB| b3
    b3 --> | AtoB| c2
    b3 -.-> | AtoB| b2
%%

可以看出网桥 2 和网桥 3 会互相转发 AtoB 这个数据帧。如果不加干预的话，并且这个数据帧会一直在这个三个网桥形成的环中传递。

为了解决这个问题，网桥都具备一个 “破环功能”，该功能实现的原理是：最小生成树协议。这个协议详情本文不做说明，后面的 Blog 再写这个。