网络分层

网线替代了上面的灰色部分，实现物理层互联。

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。

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。

互联

A电脑和B电脑完成连接之后，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。

集线器

每台电脑只有一个网线口，如何实现多人互联。

集线器就登场了，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。

集线器的内部结构

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，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。

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。

交换机

如何机器很少的情况下，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，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。

网桥

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。

路由器

交换机网口是有限的，市面上电脑这么多，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。

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。

路由器的内部结构

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。

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。

原文: 硬核！阿里面试就是不一样！30张图带你搞懂路由器，集线器，交换机，网桥，光猫有啥区别？