网络编程懒人入门(十五)：外行也能读懂的网络硬件设备功能原理速成

本文由黄工首先发表于strongerHuang公众号，原题“网络硬件的发展史”，即时通讯网有修订。

1、引言

本文是《网络编程懒人入门》系列文章的第15篇，本篇将继续以通俗易懂的文字，帮你无脑理解各种基础网络硬件设备的功能原理。

本文不罗列复杂、全面的计算机网络理论，目的是让阅读者脱离以往计算机理论专著的枯燥内容，在寓教于乐的语言文字中轻松快速的掌握这些知识，适合入门者，计网大佬和网络编程老油条们请略过。

2、如何连接个人计算机（PC）？

在发明网络之前，个人计算机之间是独立工作的，没有网卡、网线或协议栈，主要使用磁盘、CD 和其他东西来传输数据。



后来，网线出现了。

最小的网络单元由网线、网卡和协议栈组成：

• 1）网线起着物理介质的作用，以传输比特流 / 电信号；
• 2）网卡将转换数据（例如：它将计算机存储的数据转换为网线的比特流 / 电信号）；
• 3）协议栈作为一种通信语言，可以在通信过程中实现数据分析、地址寻址和流控制。
  

3、网线不够长怎么办？

如果终端之间的距离太远，一旦超过网线物理传输距离的上限，数据就会开始丢失。



中继器是物理层的设备，可以中继和放大信息以实现设备的远距离传输。

4、中继器端口不足怎么办？

中继器通常只有两个接口，这意味着如果网络中有三个以上的终端主机，则无法实现多个主机之间的直接数据通信。



集线器是一种多接口中继器，也是一个物理层设备。它可以中继和放大信息，从任何接口接收的数据都将被发送到所有其他接口。

5、如何有选择性的发送数据？

有人把网桥比喻成一个 “聪明” 的中继器。因为中继器只是对所接收的信号进行放大，然后直接发送到另一个端口连接的电缆上，主要用于扩展网络的物理连接范围。

而网桥除了可以扩展网络的物理连接范围外，还可以对 MAC 地址进行分区，隔离不同物理网段之间的碰撞（也就是隔离 “冲突域”）。

6、速度不够快怎么办？

交换机可以记录该终端主机的 MAC 地址，并生成一个 MAC 表。MAC 表相当于一个 “map”，交换机根据 MAC 表在主机之间转发数据流。



交换机基于网桥进行扩展和升级。

与网桥相比，交换机具有以下优点：

• 1）接口数量更密集（每个主机位于一个独立的冲突域中，带宽利用率大大提高）；
• 2）使用专用的 ASIC 硬件芯片进行高速转发；
• 3）VLAN 隔离（不仅可以隔离冲突域，还可以通过 VLAN 隔离广播域）。
  

交换机是一种局域网设备，通常用于局域网，不能实现远程广域网通信。

7、距离还不够怎么办？

世界上第一台路由器是由斯坦福大学的 Leonard Bossack 和 Santi Lerner 这对教师夫妇为斯坦福大学校园网络 (SUNet) 和思科公司发明的。


▲ 思科公司创始人Leonard Bossack 和 Santi Lerner 夫妇

路由器是一种基于 IP 寻址的网络层设备，利用路由表来实现数据转发。路由器主要用于连接不同的局域网以实现广播域隔离，也可以用于远程通信，如广域网连接。





诸如 IP 协议之类的逻辑寻址机制是实现不同类型局域网连接的关键。不同局域网的主机只要具有逻辑地址（IP 地址）和合理的逻辑地址规划（网段规划)，它们就可以通信。

路由器的诞生是互联网爆炸的主要原因，跨媒介、跨地域的网络集成已成为现实。

8、接线太麻烦怎么办？

无线 AP可以被视为具有无线功能的交换机 / 路由器。随着无线城市和移动办公的发展趋势，无线产品在网络中所占的比例正在增加。



根据部署方式的不同，可以分为胖 AP 和瘦 AP 解决方案。

1）在胖 AP 方案中，无线 AP 具有独立的操作系统，该操作系统可以独立调试无线热点的所有配置，类似于家用 Tp-link 产品。

2）在瘦 AP 方案中，无线 AP 仅具有无线信号传输功能，所有命令调试都集中在后台的 AC / 无线控制器上。

小型无线网络（家庭、小型企业）可以使用胖 AP 解决，而大型无线网络（无线城市、无线园区网络）则需要使用瘦 AP（AC + AP）解决。

9、不够安全怎么办？

防火墙是一种用于限制网络安全访问的网络安全产品，通常用于 Internet 的边缘，以防止外部黑客的攻击。

根据防火墙的技术特点，可以分为包过滤、应用代理和状态检测防火墙。根据产品形式，可以分为软件防火墙和硬件防火墙。

防火墙可视为具有安全功能的路由器。早期的防火墙在路由器的基础上增加了访问控制功能，因此在路由器上可以看到许多防火墙的功能，例如路由协议、访问控制列表、地址转换技术等。

防火墙和路由器可以同时存在于网络中。例如，防火墙可以放置在路由器之前或之后。在这种情况下，路由器侧重于地址转换和路由策略，而防火墙侧重于安全隔离等。



在防火墙的基础上，扩展出了 Web 防火墙、安全网关和入侵检测 / 入侵防御等安全产品。

10、网络拥塞怎么办？

网络中的流量控制设备主要分为：

• 1）上网行为管理；
• 2）负载均衡器 / 应用交付；
• 3）链路优化；
• ... ...
  

上网行为管理产品主要关注细粒度的区分和流量控制。

负载平衡 / 应用程序交付侧重于流量的负载平衡（根据流量特征、应用程序、地址等进行区分，然后分配到不同的链接和服务器）。

链接优化主要用于广域网等低速链路的边界，以使链路利用率最大化。







问题来了：组成一个网络需要多少种设备？

11、家庭 SOHO 网络

这是一个典型的家庭网络，它通过无线路由器提供 WiFi 热点访问，并提供路由器连接到外部网络。

12、小型企业网络

小型企业网络使用二层架构、单核拓扑，需要路由器、交换机和服务器。

13、园区网

最常见的园区网架构，如大中型企业网络 / 校园网络，采用接入汇聚核三层架构和双核组网。

根据网络需求，分为：

• 1）用户区；
• 2）内部服务区；
• 3）外部服务区；
• 4）管理区；
• 5）Internet 区；
• ... ...
  

它们通过核心交换机和防火墙连接并隔离。

互联网使用多出口连接，通过路由器实现拨号和 NAT，通过流量控制设备实现负载均衡 / 上网行为管理，通过防火墙实现安全隔离。

14、数据中心网络

上图是典型的大型第二层数据中心网络 / IDC 设计。

主要分为：

• 1）租户区（服务集群）；
• 2）Internet 区；
• 3）安全管理区域。
  

租户区：采用设备虚拟化和链路虚拟化技术，提高设备处理能力和链路承载能力，并将负载均衡器放置在服务器区域中，以合理有效的方式将流量分配给固定服务器。

Internet 出口区域：使用路由器执行 BGP 和地址反转，使用 IPS / anti-DDoS 设备进行大流量泛洪攻击，使用流量控制执行出口负载，并使用防火墙进行安全隔离。

安全管理区：通过防火墙安全访问，通过审计、日志、入侵检测、网络管理等产品对整个网络进行管理。

15、系列文章

本文是系列文章中的第15篇，本系列文章的大纲如下：

[1] 网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）
[2] 网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）
[3] 网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够
[4] 网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异
[5] 网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势
[6] 网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门
[7] 网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议
[8] 网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接
[9] 网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？
[10] 网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议
[11] 网络编程懒人入门(十一)：一文读懂什么是IPv6
[12] 网络编程懒人入门(十二)：快速读懂Http/3协议，一篇就够！
[13] 网络编程懒人入门(十三)：一泡尿的时间，快速搞懂TCP和UDP的区别
[14] 网络编程懒人入门(十四)：到底什么是Socket？一文即懂！
[15] 网络编程懒人入门(十五)：外行也能读懂的网络硬件设备功能原理速成（* 本文)

16、参考资料

[1] 快速理解网络通信协议（上篇）
[2] 快速理解网络通信协议（下篇）
[3] 假如你来设计网络，会怎么做？
[4] 史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门
[5] 面视必备，史上最通俗计算机网络分层详解
[6] 技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）
[7] P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介
[8] 通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？

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引用：haibaoyou 发表于 2023-04-18 18:44
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