https://github.com/xiaobaiTech/golangFamily
https://mp.weixin.qq.com/s/Zdc95_hjjxqxhuvQspUDmA

集线器，英文里也叫hub。
它是汇聚网线的中心，因此就叫集线器。

所以可以理解，大家常逛的 Github，Docker Hub, 还有P**hub ，都是为了表达它们是某类资源的中心了吧。

那么集线器是什么呢？那就要从电脑是怎么互联的这个话题说起。

小学的时候，有一种网吧，它其实是不能上外网的。
虽然不能上外网，但网吧老板可以把很多台机子连起来，实现网吧内互联，形成一个局域网（Local Area Network，简称LAN）。

如果两台电脑想通过一根网线进行消息通信，那么他们需要在一个局域网内。

这意味着，他们的子网掩码需要一致。局域网内，假设子网掩码是 225.225.225.0，会认为 192.168.0.x 这些IP都属于一个局域网。所以当A的IP地址是192.168.0.105 时，那么B的IP地址可以配成192.168.0.106 。

物理层
从数据链路层到物理层，数据会被转为01比特流。

此时需要把比特流传到另一台电脑。

通过一根网线，两段水晶头插入网口，把两台电脑连起来。

但对网线有一些要求。

这根网线两端的水晶头需要采用交叉互联法。

什么是集线器
两个人打cs，总会觉得无聊，但是每台电脑又只有一个网线口。

想要邀请更多的人一起玩，怎么办？

那就要回到文章开头提到的集线器（hub）了。

这是个工作在物理层的设备。

有多个网口，很好的解决了电脑上只有一个网口的问题，可以做到多台电脑的网线都插入到集线器上。

同时工作原理也非常简单，会把某个端口收到的数据，输入到中继电路。

中继电路的基本功能是将输入的信号广播到集线器的所有端口上。

简单来说就是无脑复制N份到其余N个端口上。

数据复制到N个端口后。对应转发到N台机器里。

从A网口进入集线器的消息，此时还是电信号。这里经过一个PHY模块。

要理解PHY模块的作用，首先要先了解每个网口，都可能接着网线（废话），而每根网线的传输的格式都是有可能不同的。而PHY的作用，就是把这些格式转化为一个通用的格式。

举个例子。PHY就好比一个翻译器，有的人说英文，有的人说日文。但是PHY，会把它统一转为普通话，给内部电路处理。内部电路处理完之后，再经过PHY模块，转为英语，或日文从对应网口里输出。

经过PHY的处理后，以电信号的形式输入到中继电路，被无脑广播，再次经过PHY模块后变成BCD网口的格式输出。

这里面的电信号，是会受噪声干扰，导致信号形变出错的。

但就算是错了，也还是会原封不动的广播出去，这就是上面提到无脑的精髓所在。

那信号如果出错了怎么办？

只能让接收方收到消息后进行校验。

还记得上文里提到的数据链路层的MAC报头里最末尾有个FCS吗？

FCS里存放的是发送方通过循环冗余校验CRC计算得到的值。

接收方用收到的数据算一次CRC，与FCS里的值进行对比。

如果一致，那证明数据没问题。如果出错，则直接丢弃。

当然，丢弃包并不会影响数据的传输， 因为丢弃的包不会触发确认响应。因此协议栈的 TCP 模块会检测到丢包， 并对该包进行重传。

如果消息没出错，但是因为无脑广播，C也能收到A发给B的数据包。

此时 C 会在接受到数据包后一层层的”剥开”。

正常情况下，在数据链路层时，识别到目的 MAC 地址跟 C 的不一致时，也会把数据丢弃。

什么是交换机
目前只有 ABC 三台机器，每次都是广播发消息倒还好。

如果机器越来越多，每台机器发一条消息，都会被广播，就有点顶不住了。

举个例子。

假设N台机器，其中两台机器A和B，A发到B和B发给A，共两条消息。

如果这N台机器，用的是集线器。还是AB之间互发消息，每条消息都是广播的话，就是(N-1)+(N-1)条消息，差距有些大，对网络资源浪费就有些严重了。

那么，有没有可能做到，A发给B的消息，就不要转发给C呢？

可以的，把集线器换成交换机。

交换机，又叫switch，跟集线器长得很像。

但是功能更强一些，从网络分层上来说，属于数据链路层，比集线器所在的物理层还要高一层。

所有发到交换机的数据，都会先进入交换机的缓存区。接着消息再被转发到对应机器上。

注意这里用的是转发，而不是集线器的广播，交换机是怎么做到转发的呢？

MAC地址表
交换机内部维护了一张MAC地址表。

记录了 端口号和MAC地址的对应关系。

这个表的数据是交换机不断学习的结果。

当A发消息到交换机时，交换机发现消息是从1号端口进来的，则会在MAC地址表上，记录A的MAC地址对应1号端口。

如果A没有很长时间没发消息到这个1号端口，那这条记录就会过期并被删除。

那么，当时间足够长，ABC 都发过消息给交换机后，地址表就会有完整的关系信息。

A准备发送消息给B，此时A会把B的MAC地址，放入要发送的数据里。数据顺着网线发出。

交换机从端口收到数据，会把数据里的源和目的MAC地址提出来，跟MAC地址表进行对比。

发现B的MAC地址正好在2号端口，那么就把数据转发给2号端口。

此时B电脑从网线收到来自交换机2号端口的数据。

两种特殊情况
正常流程很清楚了，看两个特殊情况：

交换机查询地址表时，发现目的 MAC 地址的目标端口和这个包的源端口，是同一个端口，怎么办？

先说结论，会直接丢弃这个包。

我们看下，假设它不丢弃，会发生什么情况。

A发了个消息给B，中间经过一个集线器，此时消息会被广播到B和交换机。

此时B收到第一条A发给它的消息

交换机从1号端口收到A的消息后，解包，获得目的MAC地址是BB-BB-BB-BB-BB-BB。查MAC地址表，发现要发到1号端口。此时，源和目的端口都是同一个，如果交换机不丢弃这个消息，B会收到第二条A发给它的消息。

A只发了一次消息，B却收到两条消息，明显不对。

因此，当交换机查询地址表时，发现目标端口和源端口，是同一个端口时，会丢弃这个包。

MAC地址表里找不到对应的MAC地址，怎么办？

这可能是因为具有该地址的设备，还没有向交换机发送过包，或者这个设备一段时间没有工作，导致地址被从地址表中删除了。

这种情况下，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，无论该设备连接在哪个端口上，都能收到这个包。

此时，交换机就会跟集线器一样进行广播。

发送了包之后目标设备会作出响应，只要返回了响应包，交换机就可以将它的地址写入地址表，下次也就不需要把包 发到所有端口了。

交换机内部结构
其实对比可以发现，交换机和集线器内部结构很像。

重点需要提到的是MAC模块。消息以电信号的形式从网口进入，到了PHY会被转成通用格式的电信号。而MAC模块的作用是把这个电信号转为数字信号，这样就能提取出MAC包头，并通过MAC数据帧末尾的FCS校验这个包有没有问题，如果没问题，则把数据放到内存缓冲区里，否则直接丢弃。

另外，这个MAC模块，虽然这么叫。但其实交换机MAC模块不具有 MAC 地址。因此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。

放入到内存缓冲区后，还会把MAC地址和端口号记录到MAC地址表中。同时检查目的MAC地址在不在MAC地址表中，在的话则会转发到对应端口。否则广播。

交换机与网桥的区别
网桥，本质上可以理解为两个网线口的交换机，正好可以把两台电脑给连起来，也叫桥接。而交换机，则是多网线口的网桥，可以把多台电脑给连（桥接）起来。

其他功能方面，大差不差，不必太过纠结。

交换机和二层交换机和三层交换机有什么区别
这一部分提到的交换机，其实就是二层交换机，也就是工作在第二层（数据链路层）的交换机，二者没区别。

而三层交换机，是工作在第三层（网络层）的交换机，其实就是接下来要提到的路由器。

什么是路由器
有了交换机之后，小网吧里的电脑就都可以被连起来了。交换机网口不够？那就再接个交换机。

但世界上电脑这么多，交换机里的MAC地址表难道全都要记住吗?

显然做不到。为了解决这个问题。

于是就有了路由器，工作在网络层，比数据链路层更高一层。

网络层引入了IP的概念。

什么是IP
比如前面提到的 192.168.0.105 就是一个IP，同一个局域网内还可能会有一个IP是192.168.0.106。有没有发现，它们都是192.168.0.xxx。

像极了 上海市.黄浦区.南京东路.105号，这样的地址。现实生活中，我们可以通过一个地址定位到要去哪。到了 上海市.黄浦区.南京东路.105号楼里，我们就可以再去找某个叫身份证为xiaobaixxxxx的人。

那互联网世界里，我们也就可以通过IP地址，定位到某个广域网段，再通过广域网内部的局域网的MAC地址定位到具体某个电脑。

上海市.黄浦区.南京东路.105号可以帮助我们定位到在南京东路上的第105号楼的位置。但还有些路，比如南京西路，可能不止105号，可能要到257号。

实际上一个IP由网络号和主机号组成，共32位组成。如果拿了前面24位做网络号，那主机号就剩8位了，2的8次方=256，最多表示表示256号楼。因此为了多表示几个楼，可以向网络号多挪几位过来作为主机号。

那么具体多少位作为网络号呢？可以在IP后面加一个数字，用来表明这一点。

于是就有了 192.168.0.105/24这种表示方法，表明前24位192.168.0.0是网络号，105是主机号。

有了网段，就可以一次性表示一大批地址。就不需要像交换机那样苦哈哈的一条一条MAC地址记录在表里。

路由表
路由器的作用，可以帮助我们在互联网世界里转发消息到对应的IP。

对比一下。

交换机，是通过 MAC 头部中，接收方 MAC 地址，来判断转发目标的。

路由器，则是根据 IP 头部中， IP 地址来判断的。

由于使用的地址不同，记录转发信息的表也会不同。

类似交换机的MAC地址表，路由器也维护了一张路由表。

而路由表，是用于告诉路由器，什么样的消息该转发到什么端口。

假设A要发消息到D。也就是192.168.0.105/24要发消息到192.168.1.11/24。

那么A会把消息经过交换机发到路由器。

路由器通过192.168.0.105/24获得其网络号是 192.168.0.0 ，而目的地的网络号是192.168.1.0，二者网络号不同，处于不同局域网。

查路由表，发现192.168.1.0,在e2端口，那么就会把消息从e2端口发出，到达交换机，交换机发现MAC地址是它局域网下的D机器，就把消息打过去。

当然，如果路由表里找不到，那就打到默认网关吧，也就是从e1口发出，发到IP192.0.2.1。这个路由器的路由表不知道该去哪，说不定其他路由器知道。

路由器内部，分为控制平面和数据平面，说白了就是对应软件部分和硬件部分。

硬件部分跟交换机很像。数据从A网口进入，此时数据还是网线上格式的电信号，会被PHY模块转为通用信号格式，再被MAC模块转为数字信号，通过FCS进行错误校验，同时校验MAC地址是否是自己，通过校验则进入内存缓冲区，否则丢弃。

再进入软件部分，由路由选择处理器，通过一定规则（软件逻辑），查询路由表判断转发目标和对应转发口，再经由硬件部分的交换结构转发出去。

如果路由表中无法找到匹配记录，路由器会丢弃这个包，并通过ICMP消息告知发送方。

路由器和交换机的主要区别
MAC模块的区别
路由器和交换机不同点在于，它的每个网口下，都有一个MAC地址和IP地址。

正因为路由器具有 MAC 地址，因此它能够成为数据链路层的的发送方和接收方。

怎么理解这句话？

前面提到交换机，是不具备MAC地址的，而MAC报头是需要填上目的MAC地址的。因此交换机从来都不是数据的目的地，它只简单转发数据帧到目的地。

但路由器，是有MAC地址的，因此MAC报头就可以写上，下一站目的地就是xx路由。

到了路由器后，路由器可以再次组装下一站的目的MAC地址是再下一个路由，通过这一点，让数据在路由和路由之间传输。

而同时因为交换机不具有MAC地址，因此也不会校验收到的数据帧的MAC地址是不是自己的，全部收下做转发。而路由器则会校验数据帧的MAC报头里的目的MAC地址是不是自己，是的话才会收入内存缓冲区，否则丢弃。

找不到转发目的地时的处理方式有区别
如果在路由表中无法找到匹配的记录，路由器会丢弃这个包，并通过 ICMP消息告知发送方。

而交换机在MAC地址表里找不到转发端口时会选择广播。

这里的处理方式两者是不同的，原因在于网络规模的大小。

交换机连接的网络最多也就是几千台设备的规模，这个规模并 不大。如果只有几千台设备，遇到不知道应该转发到哪里的包，交换机可以将包发送到所有的端口上，虽然这个方法很简单粗暴，但不会引发什么 问题。

但路由器工作的网络环境就是互联网，全世界所有的设备都连接在互联网上，规模非常大，并且这个规模还在持续扩大中。如果此时它的操作跟交换机一样，将不知道应该转发到哪里的包发送到整个网络上，那就会产生大量的网络包，造成网络拥塞。因此，路由器遇到不知道该转发到哪里的包， 就会直接丢弃。

路由器和光猫有什么区别
不管是交换机还是路由器，前面都是提到网口输入的是电信号。但现在流行的是光纤传输，传输的是光信号。

而光猫（modem），是一种调制解调器，其实就是用于光电信号转换的设备。

接收数据时，可以将光纤里的光信号转化为电信号，发给路由器，路由器内部再转成数字信号，并在此基础上做各种处理。

相反，也会把路由器传来的电信号转为光信号，发到光纤，并进入互联网。

两台电脑可以通过一根网线直接连接，进行通信。

机器一多，可以把网线都接到集线器（物理层）上，但是集线器会不管三七二十一进行广播。

不想广播，可以用（二层）交换机（数据链路层），又叫多端口网桥，它比较聪明，会自我学习生产MAC地址表，知道消息发到哪，那就不需要广播啦

互联网电脑这么多，交换机MAC地址表总不能全放下吧。改用路由器（网络层），也叫三层交换机，通过网段的方式定位要把消息转发到哪，就不需要像交换机那样苦哈哈一条条记录MAC地址啦。

路由器和光猫之间是好搭档，光猫负责把光纤里的光信号转换成电信号给路由器。

现在一般情况下，家里已经不用集线器和交换机了，大部分路由器也支持交换机的功能。所以可以看到，家里的台式机电脑一般就连到一个路由器，再连个光猫就够能快乐上网了。