计算机网络中的交换机和路由器

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1. 交换机的原理

假设有A、B、C、D四台计算机，他们要相互发送数据。

如果没有交换机，计算机A要与其它三台相互发送数据，那就需要给他们每台之间牵一条网线。如下图：

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用于数据转发的交换机

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如果有很多台计算机，每台之间相互之间都连线是不可能的，就需要一种设备来交换数据，所有的计算机只需要连接到这一台交换设备就可以了。这个设备就是交换机。

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交换机根据 MAC 地址表查找 MAC 地址，然后将信号发送到相应的端口。

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假设我们有一个交换机，内部有四个端口，分别连接着四台计算机 A、B、C 和 D。这四台计算机分别有唯一的 MAC 地址，如下所示：

假设计算机 A 想要向计算机 D 发送一个数据包。

首先，计算机 A 将数据包发送到与交换机的某个端口上。交换机的 MAC 地址表中还没有任何记录，因此它并不知道计算机 D 的确切位置。
交换机会查看数据包中的目标 MAC 地址，也就是 DD:DD:DD:DD:DD:DD。
交换机会将数据包发送到其所有其他端口（除了接收数据包的端口），这被称为广播。
计算机 D 收到广播数据包，并注意到数据包的目标 MAC 地址是自己的 MAC 地址。因此，它接收并处理该数据包。
计算机 D 向交换机发送一个带有自己的 MAC 地址的数据包，以让交换机知道它所在的端口。
交换机接收到计算机 D 发送的数据包，并更新它的 MAC 地址表。现在，交换机知道了计算机 D 的 MAC 地址和所在的端口。
当计算机 A 再次想要向计算机 D 发送数据时，交换机在查找 MAC 地址表后会直接将数据包转发到连接着计算机 D 的端口上。这样，数据包不会发送到其他端口，也不会造成冲突。

可以看到交换机通过学习和维护 MAC 地址表，能够准确地将数据包转发到目标设备所在的端口，实现了点对点的数据传输，避免了冲突和广播。这样的转发过程大大提高了网络的性能和效率。

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路由器根据“IP 地址”判断转发目标。

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每个路由器都保存一个路由表，传输数据的时候会在路由表中进行查询，以此判断转发目标。

A公司的张三要给B公司李四发送数据：

张三的计算机①查询本机路由表，路由表只有默认的网关，也就是本公司的路由器②，②的IP地址是192.168.1.1，①将数据转发到②。
路由器②查询路由表，并没有查询到目标地址，然后②就将数据转发到默认网关，②的默认网关是③。②一般是家庭或公司路由器，它是通过拨号上网运营商自动分配的一个公网IP地址58.42.230.02（此IP不是固定IP，它可能会变）。
③的IP地址是58.42.230.65，这是一个公网固定IP。③是移动运营商的大型路由器，它的路由表记录了有几十万条路由信息，这些路由信息记录了它能到达的目标IP地址，通过查询路由表我们将数据转发到④，因为④能到达我们的目的地。
④表明中间可能会经过多个路由器节点。
⑤跟③一样也是一个运营商的大型路由器，一般可能是一个区或者县的大型路由器。⑤查询路由表将数据转发到⑥。
⑥是一个家庭或公司路由器，它是通过拨号上网运营商自动分配的一个公网IP地址14.19.104.04。⑥中有个外网和内网转换表（NAT技术），通过查询NAT表将数据转发到我们的目的地。

上述看似是①发送数据到⑦，其实是②发送数据到⑥，①->②和⑥->⑦是通过网络地址转换技术进行转发数据的。

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NAT（Network Address Translation）网络地址转换

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A公司的张三给自己公司的王五发送数据：

通过route print命令可以查看自己电脑的路由表信息。

通过tracert命令可以查看本机到服务器的请求链路，如下：

tracert www.baidu.com

我们查询本机到百度的请求链路。

路由器负责网络之间的通信和转发，而交换机负责内部网络中的数据转发和通信。

工作层次不同：路由器在网络层（例如，IP层）上工作，负责根据目标IP地址将数据包从一个网络转发到另一个网络；而交换机在数据链路层（例如，以太网层）上工作，负责根据目标MAC地址将数据包从一个端口转发到另一个端口。
转发方式不同：路由器使用IP地址来进行数据包转发，通过查找路由表将数据包从源网络转发到目标网络。它可以在不同的网络之间实现数据包的跨网传输。而交换机使用MAC地址来进行数据包转发，通过学习和维护MAC地址表将数据包从一个端口转发到另一个端口，实现设备之间的点对点通信。
跨网络能力不同：路由器可以将数据包从一个网络转发到另一个网络，实现不同网络之间的互联。它可以在不同的网段之间进行网络间通信，并实现子网划分和网络隔离。而交换机只能在同一个网络中传输数据包，不能跨越网络边界。
广播和组播处理不同：路由器会阻止广播和组播数据包跨越不同的网络传播，以防止网络拥塞。它会使用路由协议来管理广播和组播流量。而交换机默认会将广播和组播数据包转发到所有连接的端口上，使其出现在整个网络中的所有设备上。