Switch and Router

这篇文章来讲一下我对交换机（Switch）和路由器（Router）的理解。

进入正文之前，我们先来画一下TCP/IP的网络层次图：

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     |  Application    |
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     |  Transportation |
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     |  Network        |  <- router
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     |  Data Link      |  <- switch
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     |  Physical       |    
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图中我们看到，交换机是工作在数据链路层（Data Link）的，而路由器工作在网络层（Network）。

数据链路层之间通信的时候，靠的是机器48位的MAC（Media Access Control）地址。交换机也是根据MAC地址与自身端口之间关系来对Ethernet Frame进行转发，注意，这句话中的“端口”指的是交换机的网线插口，而不是我们常说的应用层（Application）通信时的端口。下面我们来看一个例子：

    A      B      C
    |      |      |
  --o------o------o--  <-switch
    1      2      3

从图中我们可以看到，主机A，B和C接在一个交换机上，其中，A接在端口1，B接在端口2，C接在端口3。交换机把这三个主机连接在一起，所以它们之间可以互相通信。交换机内部还维护着一张MAC地址 -- 端口的哈希表，用于Ethernet Frame的转发。在上图中，这个表长这个样子：

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    |  MAC Address |  Port    |
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    |  A's MAC     |  Port 1  |
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    |  B's MAC     |  Port 2  |
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    |  C's MAC     |  Port 3  |
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如果某一端口中传出来的Ethernet Frame的源MAC地址与该端口在表中对应的MAC地址不匹配，那么交换机会更新表中的这一行。这个机制也可以用来增加新加入的设备的信息。假如此时交换机的端口4接入了一个主机D，但是这张表中没有主机D的数据。这时交换机就可以通过主机D发来的Ethernet Frame来增加它与端口的映射关系。比如A想向D发送数据，这个数据到达交换机这边，交换机查表发现没有D的端口映射关系，于是就发一个广播Ethernet Frame，目的地址为“FF:FF:FF:FF:FF:FF”，意思是群发给当前Ethernet的所有主机，因为D在这个Ethernet中，所以D也会收到这个Ethernet Frame，然后一看是A传给自己的，所以就发一个回复 Ethernet Frame给A，交换机接收到这个Frame，发现源MAC地址是D的MAC地址，且是从端口4传进来的，就去表中查D的端口对应关系，一看表中没有D的数据，于是就在表中加入一行，最终表就变成了这个样子：

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    |  MAC Address |  Port    |
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    |  A's MAC     |  Port 1  |
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    |  B's MAC     |  Port 2  |
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    |  C's MAC     |  Port 3  |
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    |  D's MAC     |  Port 4  |
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通过上面的文字，我们知道交换机工作在数据链路层，根据机器的MAC地址进行通信，同时内部还维护着一张主机MAC地址和自身端口对应的哈希表。同时我们还了解到，因为交换机是根据机器的MAC地址进行通信，所以它主要服务于LAN（Local Area Network），我们的工作中常用的集线器（Hub）就是一个小型交换机：

好了，说完了交换机，我们再来看看路由器。与交换机工作在数据链路层不同，路由器是工作在网络层。网络层传输的是IP Packet，靠32位的IP地址（IPv4）进行通信，路由器的功能就是对这些IP Packet进行转发。我们家用的路由器通常是用来上网的，对吧，结构大致如下：

   ------        ----------        ---------        -------
   | PC |--------| router |--------| modem |--------| ISP |
   ------        ----------        ---------        -------

一台PC机器通过网线连在路由器上，路由器再用一根网线接在modem上，modem就是我们平时说的“猫”。 modem再与ISP（Internet Server Provider）连接，ISP就是我们常说的网络服务提供商，在中国一般就是三家：中国移动，中国联通和中国电信。等这些连接都完成，那么我们就可以用PC在网上冲浪啦。

路由器有管理IP地址的功能。连接在一台路由器的设备都属于一个子网，通常来说，这些设备的IP地址都是路由器去分配的，用的是DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）协议。这些设备本地运行着 DHCP的客户端，路由器这边运行着DHCP的服务器端，客户端可以向服务器端请求IP地址。这是本地的Ethernet，也就是LAN，这里的IP地址被称为私有IP（Private IP）。但是我们如果想在网上冲浪的话，除了私有IP地址外，我们还需要一个WAN（Wide Area Network）的IP，也就是公有IP（Public IP）。这个IP是由ISP来提供的。比如你想访问Google，你发出的IP Packet会先到本地的路由器，路由器把IP Packet的源IP地址换成ISP提供的公网IP，然后再转发出去。再收到回复后，再把目的IP地址换成私有IP，再转发给你，你就能看到Google的页面啦。这种替换IP地址的机制被称为NAT（Network Address Translation）。

顺便说一句，现在的路由器长这个样子：

可以看到，它中间有一组LAN端口，说明它已经集成了Hub的功能，也就是说，就算不连modem和ISP，你也可以用它来像Hub一样组一个Ethernet。这也很好理解，因为路由器就是一个小计算机，它里面实现了Physical， Data Link和Network三个层并运行着相应的网络进程，自然就可以做Hub的Ethernet Frame转发的事情。

以上。