0 探索线路
3 集线器、交换机、路由器
3.1 信号在网线和集线器中传输
3.1.1 局域网结构
一般家用路由器都集成了集线器和交换机的功能，独立设备已经很少了，以下是为了表述更清晰。
3.1.2 防止网线中的信号衰减、利用双绞线抑止噪声
高频信号更容易损失信号，波形边缘容易变得圆滑
电机、荧光屏、CRT显示器等设备泄漏出来的电磁波，接触到信号线时，会沿电磁波传播的右旋方向产生电流，如果两根线缠绕变成螺旋形，会使得噪声电流方向相反从而互相抵消。
对于相邻信号线的干扰，是通过不同信号线缠绕距离变化来抵消的。
双绞线：
3.1.3 集线器将信号发往所有线路
以太网的基本框架：将包发到所有的设备，然后由设备根据接收方MAC地址来判断应该接收哪些包。集线器就是做广播信息的。
3.2 交换机的包转发操作
3.2.1 交换机根据地址表进行转发
信号到达网线接口，由PHY(MAU)模块进行接收，转换为通用格式，然后传递给MAC模块；
MAC模块将信号转换为数字信号，并通过包末尾的FCS校验错误，如果没有错误，就放到缓冲区；
交换机的过程与上面类似，只不过不再需要MAC地址校验，而是接收所有的包，放到缓冲区。交换机端口不具备MAC地址；
包进入缓冲区后，查询这个包的接收方MAC地址是否已经在MAC地址表中有记录了。MAC地址表主要包含两个信息：设备的MAC地址，该设备连接在交换机的哪个端口。交换机内部有电子开关，通过切换，可以改变信号流向，决定从哪个端口流出或者接收哪个端口的数据。
3.2.2 MAC地址表的维护
（1）收到包时，add
（2）每条记录都有有效期，一段时间不使用则删除（几分钟）
3.2.3 特殊情况
（1）目标端口和源端口一样：直接丢弃
（2）地址表找不到MAC地址：将包发送到除源端口外的所有端口
（3）接收方MAC地址是广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF或者IP：255.255.255.255）：将包发送到除源端口之外的所有端口
3.2.4 全双工模式（交换机特有的工作模式），可以同时进行发送和接收
全双工的两种方式：双绞线（两条独立的信号线）、一条线多频段
3.2.5 自动协商：确定最优传输速率
探测对方是否支持全双工，也可以探测传输速率。
以太网中，没有数据信号传输时，也会填充连接脉冲。（网线接口绿色的LED指示灯，灯亮，表明连接正常）。脉冲信号，告知了最优的连接速率。
脉冲信号传达了速率、半双工全双工工作模式。速率的话，会选取尽可能大的速率，作为双方协商达到的最优速率。优先级如下图示例：
3.2.6 交换机可同时执行多个转发操作
多个端口决定的。
3.3 路由器的包转发操作
3.3.1 路由器基本知识
网络包被集线器和交换机转发后，到达路由器，再由路由器，继续转发到下一个路由器。
基本功能和交换机类似，但是路由器是基于IP的，交换机是基于MAC地址的。路由器的端口模块是具有MAC地址的，出厂时写入ROM。
3.3.2 路由表中的信息
路由器根据IP地址判断转发目标，只看网络号，也就是子网网段部分（IP地址与掩码的与操作），具体转发表如下：
多个子网的情况下，路由表中只有一个记录，会进行多子网聚合，例如10.10.1.0/24、10.10.2.0/24、10.10.3.0/24，多子网聚合，会只有一个记录于路由表中10.10.0.0/24
当根据目标地址和子网掩码匹配到某条记录后，路由器会将网络包交给接口列指定的网络接口（即端口），并转发到网关列中指定的IP地址。跃点数，表示距离IP地址的距离。
路由表信息维护：
（1）人功能手动维护路由记录
（2）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（RIP、OSPC、BGP等都属于路由协议）。
3.3.3 路由器的包接收及包转发
路由器的端口都具有MAC地址，只接收与自身匹配的包，遇到不匹配的包直接丢弃。也就是说，任何网络包，虽然实际发送的是一个远端客户端的，但是填充的MAC地址，只会是离自己最近跟自己交互的那个路由器的对应端口的MAC地址。例如，我机器连接的我的小米路由器wifi模块端口的MAC地址：64:09:80:0C:22:2F，ping一下百度，发现MAC地址填充确实是小米路由器的，而百度搜索服务器主机网卡的MAC地址
当发现输出的包的MAC地址确实是连接的路由器的MAC地址时，由于路由器是根据IP来转包，这里这个网络包接收MAC地址找到路由器后，就已经完成它的任务，不需要MAC地址了，就把MAC地址干掉，通过目标IP地址和掩码，查询路由表，找到对应记录，然后找到网关，确定转发端口，然后根据这个网关，确定网关MAC地址，新填充到网络包中。
3.3.4 找不到匹配路由时，选择默认路由
子网掩码是0.0.0.0，即不需要匹配的，这一行就是默认路由，对应的网关是默认网关（互联网接入路由器）。
3.3.5 包的有效期
TTL（Time to Live，生存时间），包每经过一个路由器的转发，值减去1，当值变成0时，丢弃。目前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TTL一般设置为64或128
3.3.6 通过分片功能拆分大网络包
IP模块会对一个完整包进行分片（不同于TCP包的拆分，IP分片会将TCP头部也当做数据），是否分片，主要决定于MTU大小
3.3.7 路由器的发送操作和计算机相同
（1）优先看网关，网关作为转发目标
（2）若网关为空，则目标IP地址作为转发目标
（3）通过ARP，可以查询网关或者目标IP所在端口的MAC地址
3.3.8 交换机与路由器的关系
路由器放入路由器端口的MAC地址，然后装载进以太网包；
以太网包，由交换机，从一个路由器传输到下一个路由器。
3.4 路由器的附加功能
3.4.1 通过地址转换有效利用IP地址
为了IP地址不被用光，采用私有地址和公有地址。任何局域网跟局域网的私有IP是不会进行交互的，因此也可以使用相同的IP，例如192.168.1.19
私有地址可用范围：
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
这些地址，不需要申请，任何人都可以使用
3.4.2 地址转换的基本原理
在转发网络包时对IP头部中的IP地址和端口号进行改写。
利用端口号改写IP地址：
3.4.3 从互联网访问公司内网
如果路由器的表中，没有端口号跟私有地址的映射关系，那么从互联网到公司内网，路由器是无法正常转包的。要想能够正常从互联网外部访问，则需要在路由器中添加映射关系。我们的VPN或者其他网络穿透工具，做的事情，应该就是这个？
3.4.4 路由器的包过滤功能（防火墙）
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。
