how networks work third note

摘要： 思維導圖 整體內容 從網線到網路裝置 (集線器、交換機、路由器) question 我們現在使用的乙太網(雙絞線)是由美國的室內電話發展而來的 路由器比交換機問世時間更早 對於路由器和交換機，如果包在傳輸...

思維導圖

從網線到網路裝置

(集線器、交換機、路由器)

question

• 我們現在使用的乙太網(雙絞線)是由美國的室內電話發展而來的

• 路由器比交換機問世時間更早

• 對於路由器和交換機，如果包在傳輸過程中發生錯誤，會直接丟棄錯誤的包而不會嘗試修復

看點

• 訊號在網線和集線器中傳輸

• 交換機的包轉發操作

• 路由器的包轉發操作

• 路由器的附加功能

訊號在網線和集線器中的傳輸

• 每個包都是獨立傳輸的

客戶端-->集線器-->交換機-->路由器

• 防止網線中的訊號衰減很重要

網絡卡中的PHY(MAU)模組負責將包轉換成電訊號-->訊號通過RJ-45介面進入雙絞線。

PHY(MAU):乙太網有多重派生方式，每種方式中訊號收發模組的名稱都不一樣。

現在100Mbit/s以上的乙太網中叫作PHY(物理層裝置)，以前低速方式則叫MAU(介質連線單元)

網線越長，訊號衰減就越嚴重。乙太網中的訊號波形是方形的，但損失能量會讓訊號的拐角變圓，

這是因為電訊號的頻率越高，能量的損失率越大。噪聲也會影響失真

• "雙絞"是為了抑制噪聲

產生噪聲的原因是網線周圍的電磁波，當電磁波接觸到金屬等導體時，在其中就會產生電流。

影響網線的電磁波分為兩種。一種是由電機、熒光燈、CRT顯示器等裝置洩露出來的電磁波。

抑制方式：訊號線是用金屬做成的，當電磁波接觸到訊號線時，會沿電磁波傳播的右旋方向產生電流，

這種電流會導致波形發生失真。將訊號線纏繞在一起，訊號就變成了螺旋形，其中兩根訊號線中產生的

噪聲電流就會相反，從而使得噪聲電流相互抵消，噪聲就得到了抑制

另一種是電磁波從網線中相鄰的訊號線洩露出來的。這種內部產生的噪聲稱為串擾(crosstalk).

這種噪聲的強度其實並不高，但問題是噪聲源的距離太近了。

抑制方式:在一根網線中，每一對訊號線的扭絞間隔(節距)都有一定的差異，這使得在某些地方正訊號線

距離近，另一些地方則是負訊號線距離近。由於正負訊號線產生的噪聲影響是相反的，所以兩者就會相

互抵消。從網線整體來看，正負的分佈保持平衡，自然就會削弱噪聲的影響。

• 集線器將訊號發往所有線路

當訊號到達集線器後，會被廣播到整個網路中。

乙太網的基本架構就是將包發到所有的裝置，然後由裝置根據接收方MAC地址來判斷接收那個包

集線器要正常接收訊號，必須將"傳送線路"和"接收線路"連線起來。所以,集線器中的PHY(MAU)模組

與介面之間採用交叉接線的原因正是在於此。

集線器的介面中有一個MDI/MDI-X切換開關

MDI(直接接線)是Media Dependent Interface(媒體相關介面)的縮寫，MDI-X(交叉接線)是

MDI-Crossover的縮寫交叉網線也可以用於將兩臺計算機直接連線起來。

訊號到達集線器PHY(MAU)模組後，會進入中繼電路。中繼電路的基本功能就是將輸入的訊號廣播

到集線器的所有的埠上。

接下來，訊號從所有介面流出，到達連線在集線器上的所有裝置。然後，這些裝置在收到訊號之後

會通過MAC頭部中的接收方MAC地址判斷是不是發給自己的(除交換機裝置，交換機是無視接收方

MAC地址的，會將所有的包都接收下來)。

交換機的包轉發操作

• 交換機根據地址表進行轉發

交換機的設計是將網路包原樣轉發到目的地

交換機和集線器的介面方式一樣

交換機埠的MAC模組不具有MAC地址

PHY(MAU)模組會將網線中的訊號轉換為通用格式，然後傳遞給MAC模組。

MAC模組將訊號轉化為數字資訊，然後通過包末尾的FCS校驗錯誤，如果沒有問題則放到緩衝區中

通過MAC地址表(MAC地址埠)將包傳送到相應的埠

• MAC地址表的維護

one way:將傳送方MAC地址以及其輸入埠號碼寫入MAC地址表中

another way:地址表中的記錄不能永久有效，而是要在一段時間不使用後自動刪除

• 特殊操作

當交換機發現一個包要發回到原埠時，就會直接丟棄這個包

若在地址表中找不到指定的MAC地址，將會把包轉發到除了原埠之外的所有埠上

若接收方MAC地址是一個廣播地址，那麼交換機會將包傳送到除源埠之外的所有埠

• 全雙工模式可以同時進行傳送和接收

交換機的全雙工模式可以同時傳送和接收訊號

• 自動協商:確定最優的傳輸速率

包括全雙工或半雙工 傳輸速率

• 交換機可同時執行多個轉發操作

路由器的包轉發操作

• 路由器的基本知識

路由器是基於IP設計的，而交換機是基於乙太網設計的。

路由器包括轉發模組(轉發的目的地)和埠模組(包的收發操作)

路由器的基本原理:會通過埠將發過來的包接收進來，轉發模組會根據接收到的包的IP

頭部中記錄的接收方IP地址，在路由表中進行查詢，以此判斷轉發目標，然後，轉發模組

將包轉移到轉發目標對應的埠，埠再按照硬體的規則將包傳送出去。

路由器的各個埠都具有MAC地址和IP地址

路由器根據"IP地址"判斷轉發目標，會忽略主機號，只匹配網路號

目標地址(只包含子網的網路號部分)子網掩碼(確定其位元數)

躍點計數:距離目標IP地址的距離是遠還是近。數字越小，距離目的地越近

路由表的匹配規則:路由器首先尋找網路好位元數最長的一條記錄

再根據躍點計數的值來判斷

路由器中對路由表的維護是與包轉發操作相互獨立的，分為兩類

(1)由人手動維護路由記錄

(2)根據路由協議機制(RIP、OSPC、BGP)，通過路由器之間的資訊交換由路由器自行維護路由表的記錄

• 路由器的包接收操作

訊號到達網線介面部分,其中的PHY(MAU)模組和MAC模組將訊號轉化為數字資訊，

然後通過包末尾的FCS進行錯誤校驗，如果沒有問題則檢查MAC頭部中的接收方MAC地址

是，接收，不是，丟棄

• 查詢路由表確定輸出埠

完成包接收操作之後，路由器就會丟棄包開頭的MAC頭部

轉發操作：

1.查詢路由表判斷轉發目標

• 找不到匹配路由時選擇預設路由

路由表中子網掩碼為0.0.0.0的記錄表示"預設路由"

• 包的有效期

從路由表中查詢到轉發目標後，網路包就會被轉交給輸出埠，並最終傳送出去，

但在此之前，路由器還有一些工作要完成。

更新IP頭部的TTL(time to live),減1，減為0時，自動丟棄(防止死迴圈)

• 通過分片功能拆分大網路包

可以通過IP協議中定義的分片功能對包進行拆分

TCP是在將資料裝到包裡之前進行的(拆分好的一個數據塊正好裝進一個包裡)

IP分片是對一個完整的包在進行拆分的過程

分片的操作過程:

根據輸出埠的MTU(最大資料長度)，確定是否要分片

在分片中,TCP頭部及其後面的部分都是可分片的資料

• 路由器的傳送操作和計算機相同

• 路由器和交換機的關係

IP(路由器)負責將包送達通訊物件這一整體過程，而其中將包傳輸到下一個路由器的過程則是由乙太網(交換機)來負責的

路由器的附加功能

• 通過地址轉化有效利用IP地址

在內網中可用作私有地址的範圍僅限以下這些

10.0.0.0~10.255.255.255

172.16.0.0~172.31.255.255

192.168.0.0~192.168.255.255

公司內網分為兩個部分:

一部分是對網際網路開放的伺服器，另一個部分是公司內部裝置

• 地址轉化的基本原理

私有地址改寫為公有地址並改寫埠號

• 從網際網路訪問公司內網

用於外網訪問的伺服器可以放在地址轉換裝置的外面併為它分配一個公有地址

或者將伺服器的私有地址手動新增到地址轉換裝置中

• 路由器包的過濾功能