路由器与集线器及其交换机有啥区别？
故事就从一个车轱辘说起吧。先来看一个车轱辘。
辐条从车轱辘边缘，一直汇聚到 中心的轴，这个轴在英文里叫 hub 。
而我们今天要讲到的 集线器 ，英文里也叫 hub 。
都叫 hub ，多少有点关系，看下这面这个图大概能明白，其实两者有点像。
hub的由来
大概想表达的意思是，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Phub** ，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。也就是不能打开度娘，不能搜索资料。
不能上网的网吧还能叫网吧？
能 。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 ）。
网吧内互联之后，就可以放上各种游戏，比如CS，实现网吧内对线。
这种网吧有种好处， 没有那么多键盘侠 。
毕竟你不知道什么时候键着键着，对方就顺着网线 找过来了 。
对战直接从线上转移到线下了。
因此大家打游戏都很和谐，客气，场面十分感人就是了。
那么网吧内的电脑是怎么互联呢？
一根网线互联电脑
从最简单的场景说起，假设网吧内只有两台电脑
两台电脑互联
随便连根网线就能实现互联吗？
当然不是。
还记得网络分层吗?
网络分层
数据如果要进行传输，会从A电脑经过这些网络分层把消息组装好，再到B电脑层层解包。
网线，只是代替了上面的 灰色部分 ，实现物理层上互联。
如果想要两台电脑互联成功，还需要确保每一层所需要的步骤都要做到位，这样数据才能确保正确投送并返回。
我们自顶向下，从细节开始说一下实现互联需要做什么。
应用层
该层的网络功能由应用本身保证。
假设两台电脑是打算用游戏进行联网，那么该应用层的功能由游戏程序保证。
传输层
绝大部分游戏用的传输层协议都是TCP，我们可以看下 TCP报头 。
TCP报头
这里面我们需要关注的是 源和目的端口 ，这个可以定位到这台电脑上哪个进程在收发数据。
这两个端口信息一般是游戏内部已经填好。
AB两台电脑，其中一台作为服务端启动，比如A，起了个服务器进程。
建立服务器
服务器会开放一个 固定的端口 ，比如27015。这就是 目的端口 。
这时候A和B都可以搜索到这个服务器。启动一个客户端进程，连接进入A的服务器进程。
而源端口，则由A和B自己生成。
网络层
上图除了端口，我们还看到一个192.168.0.105，这个就是A的 IP地址 。
我们看一下IP层的报文头。
IP报头
这里面需要关注是 源和目的IP地址 。
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 。
关于IP这一块是啥，后面会细讲，大家如果没明白我说的是啥，不要急。
组装好网络层报头后，数据包传入到数据链路据层。
数据链路层
以上解决了网络层的互联，而在数据链路层，数据包里需要拼接上 MAC报头 。先看下MAC报头长什么样子。
MAC报头
其中需要关心的是标红的 源和目的MAC地址 。MAC地址可以粗略理解是这台电脑网卡的唯一标识。大概长这样
28:f9:d3:62:7d:31
源和目的地址，在发送消息的时候就会被填上。
但是A只知道自己的MAC地址，怎么才能知道B的MAC地址呢？
这时候需要ARP协议。
ARP （Address Resolution Protocal），即地址解析协议。用于将IP地址解析为以太网的MAC地址的协议。
在局域网中，当主机A有数据要发送给主机B时，A必须知道B的IP地址。
但是仅仅有IP地址还是不够的，因为IP数据报文还需要在数据链路层封装成帧才能通过物理网络发送。因为发送端还必须有接收端的MAC地址，所以需要一个从IP地址到MAC地址的映射。ARP就是干这事情的协议。
ARP流程
- A查本地ARP表发现B的IP和MAC映射关系不存在
- A通过ARP广播的形式向局域网发出消息，询问某IP对应的MAC地址是多少。比如A此时知道B的IP，但并不知道B的MAC地址是多少，就会尝试在局域网内发起ARP广播，询问局域网下所有机器，哪个机器的IP与B的IP一致。
- B收到这个ARP消息，发现A要问的IP与自己的IP一致，就会把自己的MAC地址作为应答返回给A。
- 此时A就知道了B的MAC地址，顺便把消息记录到本地ARP表里，下次直接用表里的关系就行，不需要每次都去问。
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 。
交叉互联法
水晶头里有8根线， 注意上图里的颜色 ，是有顺序的。第1、2根线起着收信号的作用，而第3、6脚发信号的作用。将一端的1号和3号线、2号和6号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。
当然，现在有些网卡有自适应的功能，就算是直连互联法的线，也能有交叉互联法的效果。如果你用的是这种网卡，就 当我物理层这块什么都没说吧 。
互联
此时，在确保关闭防火墙的前提下，可以尝试从A电脑中ping一下B，再从B电脑中ping一下A。如无意外，都能ping通。
A给B发个消息，从应用层到数据链路层，会分别加上A和B的各种''身份信息"。比如在传输层会加上A和B的应用端口号，在网络层加上源和目的IP，在数据链路层会加上源和目的网卡的MAC头部信息。
B收到消息后逐层解包，验证，最后顺利到达应用层。实现AB两台机器消息互通。
至此游戏就能正常联机对线，两台电脑互联成功！
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？
三台电脑互联
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。
集线器互联
数据复制到N个端口后。对应转发到N台机器里。
集线器内部结构
说到这里，已经对集线器有个大概认识了。
接下来，我们看下集线器的内部结构。
集线器内部结构
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 。
集线器互联时广播消息
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。
交换机互联时转发消息1
- 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。
交换机源和目的端口一致时
- 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
再看下交换机内部结构。
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。
网络号和主机号
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。
路由互联时
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 。
路由器的内部结构
路由器内部结构
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。
光猫和路由器的区别2
总结
- 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。
审核编辑：刘清
