从网线到网络设备
| 参考 | 《网络是怎样连接的》 |
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信号在网线和集线器中传输
信号从计算机中流出之后，会在网线中经过集线器等设备前进。此时， 信号是如何在网线和集线器传输的，就是我们的第一个看点。信号在传输 过程中会衰减，还会受到噪声干扰而失真，如何抑制这些影响是我们的另 一个看点。
每个包都是独立传输的
从计算机发送出来的网络包会通过集线器、路由器等设备被转发，最终到达目的地。 实际上，路由器已经集成了集线器和交换机的功能
信号到达集线器的时候并不是跟刚发送出去的时候一模一样。集线器收到的信号有时会出现衰减。信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失。网线越长，信号衰减就越严重。
防止网线中的信号衰减很重要
网卡中的 PHY(MAU)A 模 块负责将包转换成电信号，信号通过 RJ-45 接口进入双绞线以太网信号的本质是正负变化的电压
以太网信号的本质是正负变化的电压，网卡的 PHY（MAU）模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路
信号从这个接口中的 1 号和 2 号针脚流入网线。然后，信号会通过网线到达集线器的接口，这个过程就是单纯地传输电信号而已
网线越长,信号衰减就越严重,高频信号更容易损失能量
“双绞”是为了抑制噪声
局域网网线使用的是双绞线，其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起，这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。
噪声是如何产生的 产生噪声的原因是网线周围的电磁波，当电磁波接触到金属等导体时，在其中就会产生电流。因此，如果网线周围存在电磁波，就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。信号和噪声的电流就会混杂在一起，导致信号的波形发生失真，这就是噪声的影响
将信号线缠绕在一起，信号线就变成了螺旋形，其中两根信号线中产生的噪声电流方向就会相反，从而使得噪声电流相互抵消，噪声就得到了抑制
集线器将信号发往所有线路
当信号到达集线器后，会被广播到整个网络中。
以太网的基本架构就是将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方 MAC 地址来判断应该接收哪些包，而集线器就是这一架构的忠实体现
信号到达集线器的 PHY（MAU）模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上
信号到达集线器的 PHY（MAU）模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上,信号到达集线器的 PHY（MAU）模块后，会进入中继电路。中继电路的基本功能就是将输入的信号广播到集线器的所有端口上
集线器只是原封不动地将信号广播出去，所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真，也会原样发送到目的地。接收信号的设备，也就是交换机、路由器、服务器等，会在将信号转换成数字信息后通过 FCSA 校验发现错误，并将出错的包丢弃。
交换机的包转发操作
交换机根据地址表进行转发
交换机并不只是简单地让信号流过，而是先接收信号并将其还原为数字信息，然后再重新转换成信号并发送出去的过程。 
交换机的端口不核对接收方 MAC 地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中
将包存入缓冲区后，接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在 MAC 地址表中有记录了。MAC 地址表主要包含两个信息，一个是设备的 MAC 地址，另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。然后就可以通过交换电路将包发送到相应的端口了
MAC 地址表的维护
交换机在转发包的过程中，还需要对 MAC 地址表的内容进行维护，维护操作分为两种。
- 第一种是收到包时，将发送方 MAC 地址以及其输入端口的号码写入 MAC 地址表中。
- 另一种是删除地址表中某条记录的操作，这是为了防止设备移动时产生问题。
特殊操作
地址表中找不到指定的 MAC 地址，交换机无法判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上
记录中的目标端口和这个包的源端口是同一个端口，就会直接丢弃这个包
全双工模式可以同时进行发送和接收
全双工模式是交换机特有的工作模式，它可以同时进行发送和接收操作，集线器不具备这样的特性
自动协商：确定最优的传输速率
自动协商功能就利用了这样的脉冲信号，即通过这种信号将自己能够支持的工作模式 A 和传输速率相互告知对方，并从中选择一个最优的组合
路由器的包转发操作
路由器和交换机一样也负责对包进行转发，但它们的工作方式有一些 差异。交换机是基于以太网规格工作的设备，而路由器是基于 IP 工作的
路由器的基本知识
路由器在转发包时，首先会通过端口将发过来的包接收进来，转发模块会根据接收到的包的 IP 头部中记录的接收方 IP 地址，在路由表中进行查询，以此判断转发目标。
路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址。
路由表中的信息
交换机是通过 MAC 头部中的接收方 MAC 地址来判断转发目标的，而路由器则是根据 IP 头部中的 IP 地址来判断的。
对路由表进行维护的方法
- 由人手动维护路由记录
- 根据路由协议机制，通过路由器之间的信息交换由路由器自行维护路由表的记录
路由器的包接收操作
信号到达网线接口部分，其中的 PHY（MAU）模块和 MAC 模块将信号转换为数字信息，然后通过包末尾的 FCS 进行错误校验，如果没问题则检查 MAC 头部中的接收方 MAC 地址，看看是不是发给自己的包，如果是就放到接收缓冲区中，否则就丢弃这个包。
路由器的端口都具有 MAC 地址，只接收与自身地址匹配的包，遇到不匹配的包则直接丢弃
查询路由表确定输出端口
完成包接收操作之后，路由器就会丢弃包开头的 MAC 头部。MAC 头部的作用就是将包送达路由器，其中的接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址。
路由器会根据 MAC 头部后方的 IP 头部中的内容进行包的转发操作。
找不到匹配路由时选择默认路由
路由表中子网掩码为 0.0.0.0 的记录表示“默认路由”
包的有效期
路由器进行发送前
- 更新 IP 头部中的 TTL（Time to Live，生存时间）字段。TTL 字段表示包的有效期，包每经过一个路由器的转发，这个值就会减 1，当这个值变成 0 时，就表示超过了有效期，这个包就会被丢弃
通过分片功能拆分大网络包
路由器的发送操作和计算机相同
路由器判断下一个转发目标的方法如下。 ● 如果路由表的网关列内容为 IP 地址，则该地址就是下一个转 发目标。 ● 如果路由表的网关列内容为空，则 IP 头部中的接收方 IP 地址 就是下一个转发目标。
路由器也会使用 ARP 来查询下一个转发目标的 MAC 地址。
路由器与交换机的关系
要理解两者之间的关系，关键点在于计算机在发送网络包时，或者是路由器在转发网络包时，都需要在前面加上 MAC 头部。
路由器是基于 IP 设计的，而交换机是基于以太网设计的，因此 IP 与以太网的关系也就是路由器与交换机的关系
IP（路由器）负责将包送达通信对象这一整体过程，而其中将包传输到下一个路由器的过程则是由以太网（交换机）来负责的。
路由器的附加功能
位于互联网接入端的路由器通常还会提供一些附加功能，例如将私有 地址转换为公有地址的地址转换功能，以及阻止危险网络包的包过滤功 能等。
通过地址转换有效利用 IP 地址
内网部分则分配私有地址，内网中的设备不能和互联网直接收发网络包，而是通过一种特别的机制进行连接，这个机制就叫地址转换。
地址转换的基本原理
地址转换的基本原理是在转发网络包时对 IP 头部中的 IP 地址和端口号进行改写。
改写发送方 IP 地址和端口号之后，包就被发往互联网，最终到达服务器，然后服务器会返回一个包。服务器返回的包的接收包是原始包的发送方，因此返回的包的接收方就是改写后的公有地址和端口号。
改写端口号的原因
端口号是一个 16 比特的数值，总共可以分配出几万个端口 A，因此如果用公有地址加上端口的组合对应一个私有地址，一个公有地址就可以对应几万个私有地址，这种方法提高了公有地址的利用率
从互联网访问公司内网
只要事先将地址和端口的关联信息添加到地址转换设备的对应表中，就可以从互联网访问内网中的设备了。
路由器的包过滤功能
包过滤就是在对包进行转发时，根据 MAC 头部、IP 头部、TCP 头部的内容 A，按照事先设置好的规则决定是转发这个包，还是丢弃这个包。