旅游网站开发参考文献,体育类网站 设计,全国十大软件开发培训机构,mvc5 网站开发之學 pdf《网络是怎样连接的》#xff08;二.2#xff09;_qq_38480311的博客-CSDN博客
本文主要取材于 《网络是怎样连接的》 第三章。
简述#xff1a;本文主要内容是解释 通过网线传输出去的包是如何经过集线器、交换机和路由器等网络设备#xff0c;最终进入互联网的。
信号…《网络是怎样连接的》二.2_qq_38480311的博客-CSDN博客
本文主要取材于 《网络是怎样连接的》 第三章。
简述本文主要内容是解释 通过网线传输出去的包是如何经过集线器、交换机和路由器等网络设备最终进入互联网的。
信号从网卡发出会经过集线器集线器会把信号广播至连到它的所有线路信号从出发到集线器中间会有信号衰减和噪声利用双绞线可以抑制噪声。经过集线器后会经过交换机交换机的每个接口都相当于一块网卡但是却没有MAC地址交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口。接下来信号会经过路由器路由器会通过端口将发过来的包接收进来转发模块会根据接收到的包的IP头部中记录的接收方IP地址在路由表中进行查询以此判断转发目标。然后转发模块将包转移到转发目标对应的端口。由于路由器端口支持多种网络协议其发送时还需要根据包的长度判断是否分片。IP是负责通信发送到接收端的协议以太网是负责每一跳的协议。为了解决IP地址不够的问题一个私有网络对外只使用一个共有IP号路由器具有地址转换功能可根据端口号找到私网内每一个设备。同时路由器还具有包过滤功能来阻止非法入侵。 3.1 信号在网线和集线器中传输
网络包从客户端计算机发出之后要经过集线器、交换机和路由器最终进入互联网。实际上我们家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能像图上这样使用独立设备的情况很少见。不过把每个功能独立出来更容易理解。 从网卡到集线器
信号衰减
网卡中的PHYMAU模块负责将包转换成电信号信号通过RJ-45接口进入双绞线信号会通过网线到达集线器的接口这个过程就是单纯地传输电信号而已。然而信号到达集线器的时候并不是跟刚发送出去的时候一模一样集线器收到的信号有时会出现衰减图3.3。信号在网线的传输过程中能量会逐渐损失。网线越长信号衰减就越严重。
电信号的频率越高能量的损失率越大。信号的拐角意味着电压发生剧烈的变化而剧烈的变化意味着这个部分的信号频率很高。高频信号更容易损失能量因此本来剧烈变化的部分就会变成缓慢的变化拐角也就变圆了。即便线路条件很好没有噪声信号在传输过程中依然会发生失真如果再加上噪声的影响失真就会更厉害。噪声根据强度和类型会产生不同的影响无法一概而论但如果本来就已经衰减的信号再进一步失真就会出现对0和1的误判这就是产生通信错误的原因。
噪声抑制
局域网网线使用的是双绞线其中“双绞”的意思就是以两根信号线为一组缠绕在一起这种拧麻花一样的设计是为了抑制噪声的影响。
如果网线周围存在电磁波就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。由于信号本身也是一种带有电压变化的电流其本质和噪声产生的电流是一样的所以信号和噪声的电流就会混杂在一起导致信号的波形发生失真。
影响网线的电磁波分为两种一是 由电机、荧光灯、CRT显示器等设备泄漏出来的电磁波另一种电磁波是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。双绞线a通过两根信号线的缠绕抵消外源性噪声b通过改变节距抑制内源性噪声。
集线器将信号发往所有线路
当信号到达集线器后会被广播到整个网络中。然后由设备根据接收方MAC地址来判断应该接收哪些包。
3.2 交换机的包转发操作
这部分操作和网卡基本相同大家可以认为交换机的每个网线接口后面都是一块网卡。网线接口和后面的电路部分加在一起称为一个端口也就是说交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡。但交换机的工作方式和网卡有一点不同。网卡本身具有MAC地址并通过核对收到的包的接收方MAC地址判断是不是发给自己的如果不是发给自己的则丢弃相对地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。因此和网卡不同交换机的端口不具有MAC地址。
交换电路工作原理
信号线排列成网格状每一个交叉点都有一个交换开关交换开关是电子控制的通过切换开关的状态就可以改变信号的流向。交换电路的输入端和输出端分别连接各个接收端口和发送端口网络包通过这个网格状的电路在端口之间流动。举个例子假设现在要将包从2号端口发送到7号端口那么信号会从输入端的2号线进入交换电路这时如果让左起的6个开关水平导通然后将第7个开关切换为垂直导通信号就会像图上一样流到输出端7号线路于是网络包就被发送到了7号端口。每个交叉点上的交换开关都可以独立工作因此只要路径不重复就可以同时传输多路信号。 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。发送前确认信号收发模块中的接收线路没有信号进来如检测到其他信号则需要等待。
MAC工作表的维护
维护操作分为两种一是收到包时将发送方MAC地址以及其输入端口的号码写入MAC地址表中二是删除地址表中某条记录的操作这是为了防止设备移动时产生问题只需要将一段时间不使用的过时记录从地址表中删除就可以了。
当MAC表中找不到指定的MAC地址。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。。局域网中每秒可以传输上千个包多出一两个包并无大碍。
双工模式和自动协商功能
交换机的全双工模式可以同时发送和接收信号。以太网设备的网线接口周围有一个绿色的LED指示灯它表示是否检测到正常的脉冲信号。如果绿灯亮说明PHYMAU模块以及网线连接正常。当两台设备通电并完成硬件初始化之后就会开始用脉冲信号发送自己支持的速率和工作模式。当对方收到信号之后会通过读取脉冲信号的排列来判断对方支持的模式然后看看双方都支持的模式有哪些。
交换机和集线器对比
交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口其他端口都是空闲的。集线器会将输入的信号广播到所有的端口如果同时输入多个信号就会发生碰撞无法同时传输多路信号因此从设备整体的转发能力来看交换机要高于集线器。
3.3 路由器的包转发
网络包经过集线器和交换机之后现在到达了路由器并在此被转发到下一个路由器。区别是路由器是基于IP设计的而交换机是基于以太网设计的。路由器的端口模块则支持除局域网之外的多种通信技术如ADSL、FTTH以及各种宽带专线等只要端口模块安装了支持这些技术的硬件即可。 路由器工作整体流程
首先会通过端口将发过来的包接收进来这一步取决于端口对应的通信技术。接下来转发模块会根据接收到的包的IP头部中记录的接收方IP地址在路由表中进行查询以此判断转发目标。然后转发模块将包转移到转发目标对应的端口端口再按照硬件的规则将包发送出去。
路由器的端口模块根据相应通信技术的规范来执行包收发的操作是以实际发送方或者接收方来收发网络包的。以以太网协议为例不同于交换机路由器的而每个端口都具有MAC地址也具有IP地址而交换机没有交换机只负责转发操作。
路由器有路由表转发操作是根据路由表查询的。路由器会将接收到的网络包的接收方IP地址与路由表中的目标地址进行比较并找到相应的记录。交换机在地址表中只匹配完全一致的记录而路由器则会忽略主机号部分只匹配网络号部分。打个比方路由器在转发包的时候只看接收方地址属于哪个区××区发往这一边××区发往那一边。路由也具有路由聚合功能不细讲。
对路由表进行维护的方法有几种大体上可分为以下两类。
a由人手动维护路由记录
b根据路由协议机制通过路由器之间的信息交换由路由器自行维护路由表的记录其中
b中提到的路由协议有很多种例如RIP、OSPC、BGP等都属于路由协议。
路由器的包接收操作路由器的端口有各种不同的类型这里我们只介绍以太网端口是如何接收包的。信号到达网线接口部分其中的PHYMAU模块和MAC模块将信号转换为数字信息然后通过包末尾的FCS进行错误校验如果没问题则检查MAC头部中的接收方MAC地址看看是不是发给自己的包如果是就放到接收缓冲区中否则就丢弃这个包。如果包的接收方MAC地址不是自己说明这个包是发给其他设备的如果接收这个包就违反了以太网的规则。 查询路由表确定输出端口完成包接收操作之后路由器就会丢弃包开头的MAC头部。接下来路由器会根据MAC头部后方的IP头部中的内容进行包的转发操作。判断转发目标的第一步就是根据包的接收方IP地址查询路由表中的目标地址栏以找到相匹配的记录。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[插图]消息告知发送方。这里的处理方式和交换机不同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[插图]。
路由包更新和分片
从路由表中查找到转发目标之后网络包就会被转交给输出端口并最终发送出去但在此之前路由器还有一些工作要完成。第一个工作是更新IP头部中的TTLTime to Live生存时间字段参见第2章的表2.2。TTL字段表示包的有效期包每经过一个路由器的转发这个值就会减1当这个值变成0时就表示超过了有效期这个包就会被丢弃。这个机制是为了防止包在一个地方陷入死循环。现在的互联网即便访问一台位于地球另一侧的服务器最多也只需要经过几十个路由器因此只要包被正确转发就可以在过期之前到达目的地。
路由器的端口并不只有以太网一种也可以支持其他局域网或专线通信技术。不同的线路和局域网类型各自能传输的最大包长度也不同因此输出端口的最大包长度可能会小于输入端口。即便两个端口的最大包长度相同也可能会因为添加了一些头部数据而导致包的实际长度发生变化ADSL、FTTH等宽带接入技术中使用的PPPoE[插图]协议就属于这种情况。无论哪种情况一旦转发的包长度超过了输出端口能传输的最大长度就无法直接发送这个包了。遇到这种情况可以使用IP协议中定义的分片功能对包进行拆分缩短每个包的长度。最大包长度是由端口类型决定的用这个最大长度减掉头部的长度就是MTU将MTU与要转发的包长度进行比较。如果输出端口的MTU足够大那么就可以不分片直接发送如果输出端口的MTU太小那么就需要将包按照这个MTU进行分片但在此之前还需要看一下IP头部中的标志字段确认是否可以分片。 包的发送操作取决于输出端口的类型。如果是以太网端口则按照以太网的规则将包转换为电信号发送出去如果是ADSL则按照ADSL的规则来转换以此类推。
路由器与交换机的关系
从本质上说是将IP包装进以太网包的数据部分中委托以太网去传输这些数据。IP协议本身没有传输包的功能因此包的实际传输要委托以太网来进行。路由器是基于IP设计的而交换机是基于以太网设计的因此IP与以太网的关系也就是路由器与交换机的关系。换句话说路由器将包的传输工作委托给交换机来进行。
IP并不是委托以太网将包传输到最终目的地而是传输到下一个路由器。在创建MAC头部时也是从IP的路由表中查找出下一个路由器的IP地址并通过ARP查询出MAC地址然后将MAC地址写入MAC头部中的这表示IP对以太网的委托只是将包传输到下一个路由器就行了。
简单理解IP是负责通信发送到接收端的协议以太网是负责每一跳的协议。
网络并非只有以太网一种还有无线局域网以及接入互联网的通信线路它们和IP之间的关系又是什么样的呢其实只要将以太网替换成无线局域网、互联网线路等通信规格就可以了。也就是说如果和下一个路由器之间是通过无线局域网连接的那么就委托无线局域网将包传输过去如果是通过互联网线路连接的那么就委托它将包传输过去。
3.4 路由器的附加功能
地址转换
地址转换是因为如果给每一个设备都分配一个IP地址地址就会不够用。因而其实可以把网络分区外部交流使用公有地址内部使用私有地址共有和私有的地址转换就是地址转换。在一个私有网络内IP不可以重复而对外只使用一个共有地址 可以用不同的端口号来区别内网中的不同终端。即IP相同但是端口号不同仍然可以 识别相应的设备。 包过滤
包过滤就是在对包进行转发时根据MAC头部、IP头部、TCP头部的内容按照事先设置好的规则决定是转发这个包还是丢弃这个包。我们通常说的防火墙设备或软件大多数都是利用这一机制来防止非法入侵的。
