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网络的硬件构成要素

互联网的目的是为了达到资源共享，使在不同网络上的用户可以相互访问达到信息资源共享的目的。搭建一个网络环境一般不能简单地直接连接，这其中涉及到了多种电缆和网络设备，在此简单说一下计算机的硬件设备。

一、通信媒介&数据链路

计算机之间需要通过电缆互相连接，通信媒介就是信号传输的媒体。一般通信介质可以分为有线介质和无线介质。这两者中包括了双绞线电缆、光纤电缆、微波等。根据数据链路的不同（指互相直连的设备之间进行通信所涉及的协议以及网络的不同）选用不同的通信媒介。下面是 《图解TCP/IP》 一书中总结的各种不同的数据链路、通信媒介及其标准传输速率。

二、网卡

网卡又称 NIC（Network Interface Card），是一块用设计用来允许计算在计算机网络上进行通讯的计算机硬件。由于其拥有 MAC 地址，因此属于 OSI 模型的第一层。它使得用户可以通过电缆或无线相互连接。如果计算机没有配置 NIC 想要接入网络，至少得外接一个扩展槽以便插入 NIC。

MAC 地址

每一个网卡（并非是每台计算机）都有一个称为 MAC 地址的独一无二的 48 位串行号，它被写在卡上的一块 ROM 中。没有任何两块被生产出来的网卡拥有同样的地址。这是因为电气电子工程师协会（IEEE）负责为网络接口控制器（网卡）销售商分配唯一的MAC地址。在网络中，MAC 地址是真正负责最终通信的地址。

三、中继器&集线器

物理层的互联设备有中继器（Repeater）和集线器（Hub）。

中继器

中继器是在物理层上延长网络的设备，其可以将电缆传过来的电信号或光信号经由波形调整和放大再传给另一端的电缆。

中继器的作用只是对传输过程中减弱的信号进行放大以及通过物理层延长网络（并非无限延长），单纯负责信号在 0 和 1 比特流之间的替换，并不负责判断数据是否有错误。即使数据链路层出现错误，中继器仍然能转发数据。但中继器无法改变传输速度，也无法在不同传输素的媒介间转发（比如100Mbps的以太网和10Mbps的以太网）。

集线器

集线器是一种特殊的中继器，也具有信号放大的功能。对比中继器，集线器可以提供多个端口服务，每个端口都可以成为一个中继器。以中继器位中心的网络的优点是当网络系统中某条线路故障或某结点出现故障时不会影响网上其他结点的正常工作。

四、网桥&交换机

网络（Bridge）和交换机（Switch）是数据链路层的互连设备。

网桥

网桥用于连接两个局域网网段，工作于数据链路层。它能够识别数据链路层中的数据帧，并将这些数据帧临时存储于内存，再重新生成信号作为一个全新的帧转发给相连的另一个网段。由于能够存储这些数据帧，所以网桥能够连接传输速率不同的数据链路，并且不限制连接网段的个数。

数据链路的数据帧中有一个数据位叫做 FCS，用以校验数据是否完整正确地送达目的地。网桥通过检查这个域中的值，将那些损坏的数据丢弃，从而避免发送给其他的网段。此外，网桥还能通过地址自学机制和过滤功能控制网络流量。

这里所说的地址是指 MAC 地址、硬件地址、物理地址以及适配器地址，也就是网络上针对 NIC 分配的具体地址。如下图所示，主机 A 与 主机 B 之间进行通信时，只针对主机 A 发送数据帧即可。网桥会根据地质自学机制来判断是否要转发数据帧。

有些网桥能够判断是否将数据报文转发相邻的网段，这种网桥被成为自学式网桥。这类网桥会记住曾经通过自己转发的所有数据帧的 MAC 地址，并保存到自己的内存表中（又称 MAC 地址表）。由此，可以判断哪个网段中包含持有哪些 MAC 地址的设备。

交换机

随着技术的发展，网桥接口增多，网桥的接口就直接连接计算机了，网桥就发展成现在的交换机。

五、路由器

路由器是网络层的互联设备，用于连接多个逻辑上分开的网络、并对分组报文进行转发。

路由器最主要的功能就是选择路径。在路由器的存储器中维护着一个路径表，记录着各个网络的逻辑地址，用于识别其他网络。当网络间信息传递时，路由器将解析出目标网络的逻辑地址，再选择哪条路径发送最合适，然后重新将封装好的数据包转发出去。

下面通过将路由器与交换机对比来说明路由器这个玩意。

• 路由可以为你计算机所处的局域网分配 IP，虚拟拨号，就像一个交通警察，指挥着你的电脑该往哪走，你自己不用操心那么多了。交换机只是用来分配网络数据的。
• 路由器在网络层，根据 IP 寻址，路由器可以处理 TCP/IP 协议，交换机不可以。交换机在数据链路层，根据 MAC 地址寻址。
• 路由器可以把一个 IP 分配给多个主机使用，这些主机对外表现出一个 IP。交换机可以把很多主机连起来，这些主机对外各有各的 IP。
• 路由器提供防火墙服务，交换机不能提供该功能。集线器、交换机都是做端口扩展的，就是扩大局域网（通常都是以太网）的接入点，也就是说能让局域网连进来更多的电脑。路由器是用来做网间连接的，也就是用来连接不同的网络。

举个例子：路由器相当于邮局，把信投递到收件人地址，它的任务就完成了。但是信邮到了你们宿舍楼，而这个地址不是你一个人专享的，所以楼管王大爷还要负责把信给到你手里，他不会关心收件人地址，只看收件人姓名，然后打个内线电话叫你来取信。

如果没有邮局，你没法向世界各地的漂亮妹子们发信，也没法从楼外的漂亮妹子那里收信。但是因为楼管王大爷的存在，你仍然可以通过他与同宿舍楼的好基友书信往来。

所有邮局构成的系统，就是“广域网”，而你的宿舍楼，就是“局域网”，构建局域网是不需要路由器的。

六、网关

网关（Gatway）是应用层的互联设备，负责将从传输层到应用层的数据进行转换和转发、处理传输层以上的数据。不仅负责传输数据还负责对数据进行转换，它通常会使用一个表示层或应用层网关，在两个不能进行直接通信的协议之间进行翻译，最终实现两者之间的通信。

《图解 TCP/IP》 中举了一个简单易懂的例子：互联网与收集邮件之间的转换服务。
手机邮件有时可能会与互联网邮件互不兼容，这是由于它们在表示层和应用层中的“电子邮件协议”互不相同所导致的。

那么，为什么连到互联网的电脑与手机之间能够互发电子邮件呢？如下图所示，互联网与手机之间设置了一道网关。网关负责读取完各种不同的协议后，对它们逐一进行合理的转换，再将相应的数据转发出去。这样一来即使应用的是不同的电子邮件协议，计算机与手机之间也能互相发送邮件。

代理服务器

此外，在使用 WWW（World Wide Web，万维网）时，为了控制网络流量以及处于安全考虑，有时会使用代理服务器（Proxy Server）。这种代理服务器也是网关的一种，称为应用网关。有了代理服务器，客户端与服务器之间无需在网络层上直接通信，而是从传输层到应用层对数据和访问进行各种控制和处理。防火墙就是一款通过通信，针对不同应用提高安全性的产品。

注：网关它可以是路由器，交换机或者是PC。在同一网段之内进行通信，是不需要将网关介入其中，只有当主机个非本网段设备进行通信的时候，才需要将数据包全部发给网关设备，再经由网关设备进行转发或者是有路由处理等。

七、参考

• 《图解 TCP/IP》
• https://product.pconline.com.cn/itbk/wlbg/wireless/1511/7143670.html

【计算机网络】网络的硬件构成要素

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