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：

1. 发送与接收帧
2. 实现 MAC 地址识别与封装
3. 执行数据链路层和物理层的一些功能
4. 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：

1. 查看该帧的源 MAC 地址；
2. 如果该 MAC 地址不在表中，或端口发生变化；
3. 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 $\rightarrow$ 数字信号；

采样、量化、编码，e.g. PCM（Pulse Code Modulation 脉码调制），采样率为 $8000/s$ ，每秒采样 $8$ 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

详见《漫游计算机网络之情景篇》。

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。