本文目的在于按照自己的理解，解释清楚网络中的一些基本概念，以及支撑概念落地的网络设备的工作原理。从而解决网络联通性问题，以及为定量分析网络性能问题打基础。如有错漏，欢迎指正：
网络世界与现实世界在许多方面运作方式相似。就像现实世界中的地址一样，划分国家、省市、街道、小区。邮递员以此高效的将快递正确送达每家每户。在网络世界中，IP 地址是用于唯一标识网络中的设备的，但是当网络规模变得很大时，就需要将 IP 地址进行划分，划分为若干个子网。子网使网络更高效。通过子网划分，网络流量传播距离更短，无需通过不必要的路由器即可到达目的地。
子网划分的过程需要在网络层上进行，可以通过在 IP 地址中使用子网掩码（Subnet Mask）来划分子网。子网掩码是一个 32 位的二进制数，与 IP 地址进行逻辑运算，可以将网络号和主机号进行区分。
例如，如果将 IP 地址（192.168.1.0）分成 4 个子网，可以使用 255.255.255.192 的子网掩码进行划分，得到四个子网：
不难看出，网络世界的运作很类似“分治策略”，可以将以上网络模型简化为 “子问题”（广域网 WAN） + 初始值（局域网 LAN）
局域网（LAN, Local Area Network）是指在较小的地理范围内，由计算机、打印机、服务器等设备组成的局域网，它们可以通过物理链路或者无线信号相互连接，形成一个逻辑上的网络。在 LAN 中，所有设备可以直接通信，不需要经过路由器进行 IP 路由，因此都处于同一个广播域内。
广域网（WAN, Wide Area Network）是一种大型计算机网络，用于远距离连接不同的计算机组。大型企业通常使用 WAN 来连接其办公网络；每一办事处通常有自己的局域网（或 LAN），这些 LAN 通过 WAN 相连。
在此模型下，首先回顾下协议栈的分层；然后，再来认识网络设备是如何落地协议栈，并完成工作的。
TCP/IP 包含如下两个头部。
协议栈分层中 IP 和 Ethernet 分开的目的在于支撑除了以太网在内的各种通信技术，例如无线局域网、ADSL、FTTH 等。它们都可以替代以太网的角色帮助 IP 协议来传输网络包。
两个头部分别具有不同的作用。首先，发送方将包的目的地，也就是要访问的服务器的 IP 地址写入 IP 头部中。如此就知道这个包应该发往哪里，IP 协议就可以根据这一地址查找包的传输方向，从而找到下一个路由器的位置。接下来，IP 协议会委托以太网协议将包传输过去。IP 协议会查找下一个路由器的以太网地址（MAC 地址），将包将地址写入 MAC 头部中。如此，以太网协议就知道要将这个包发到哪一个路由器。
同时，也意味着，经过每一跳的网络设备都会经过“解包”和“封包”，最核心的变化是 MAC 地址会被更新为下一跳的网络设备的地址（IP 地址保持不变）
现如今，网络设备的集成度越来越高，像上图这样使用独立设备的情况很少见。例如家用路由器，集成了集线器和交换机的功能。
不过，把每个功能独立出来更容易理解，而且理解了这种模式之后，也就能理解集成多种功能的设备，因此下面将所有功能独立出来，逐个来进行探索。
路由器作为三层网络设备的代表，在其中扮演着非常重要的角色。路由器先构建路由表，以确定如何将数据包从一个网络转发到另外一个网络。
路由的核心功能可以分为两个部分，“路由选择”（确定通过网络的最佳路径的任务） 和 “分组转发”（将数据包从一个接口移动到另一个接口的任务）。就像计算机一样，通过更换网卡（NIC），路由器不仅可以支持以太网，也可以支持无线局域网。
路由表是路由器中的一个表格，包含着可用的路由信息，包括目标网络地址和下一跳路由器的地址。当路由器接收到一个数据包时，会将数据包的目标 IP 地址与每一条路由表项的目的 IP 地址进行匹配。如果有多条匹配的路由表项，则选择最长的前缀匹配，并将数据包转发到该前缀所对应的网络。
最长的前缀匹配指的是，路由表项中目的 IP 地址的子网掩码位数最长的项。例如，路由表中有以下三条路由表项：
当路由器收到一个目标 IP 地址为 10.1.2.3 的数据包时，会先与第二个路由表项（10.1.0.0/16）进行匹配，因为它的前缀长度更长（16 位）比第一个路由表项（8 位）更精确。因此，路由器会将数据包转发到与第二个路由表项对应的下一跳路由器。
路由器拥有内网的 IP 路由表，同时还拥有一条神奇的路由 0.0.0.0/0。0.0.0.0/0 路由是一种默认路由，也称为默认网关或缺省路由。它指示路由器在找不到更具体的路由表项来匹配目标 IP 地址时，将数据包发送到默认网关，最终到达核心网。
路由器有一个非常独立的控制体系。先有控制层面，再有数据层面。先有控制层面，才会知道一个一个网络怎么走，知道网络怎么走之后，再基于数据层面，接收数据，查读路由表，来进行数据转发。路由表的构建方式有以下几种方式：
接收到的数据包由链路层协议控制器处理，该控制器处理物理链路（电缆）上使用的链路层协议，会检查接收到的帧的完整性（大小、校验和、地址等）。有效帧通过去除链路层报头（解封）转换为数据包，并在接收队列中排队。这通常是一个先进先出 (FIFO) 队列，通常采用内存缓冲区环的形式。
每个传出数据包都需要添加一个新的链路层协议报头（封装），并将目标地址设置为下一个接收数据包的系统。链路协议控制器还维护与接口相关的 硬件地址表。 通常涉及使用地址解析协议 ( ARP) 找出直接连接到同一电缆（或 LAN ）的其他计算机或路由器的硬件（MAC 地址). 数据包最终使用媒体接口发送，硬件地址设置为下一跳系统。
为了确保 IP 数据包在网络上具有有限的生存期，所有 IP 数据包都有一个 8 位的 TTL（IPv4）或 Hop Limit（IPv6）报头字段和值，当一个路由器接收到一个数据包时，它会将 TTL 或 Hop Limit 减 1，然后再将数据包转发到下一个路由器。如果 TTL 或 Hop Limit 的值减少到 0，路由器将丢弃数据包并向源主机发送 ICMP 错误消息，通知它数据包已经超时。
MAC 地址是硬件地址，与设备的网卡绑定，二层交换机通过学习连接的每个终端的 MAC 地址，将数据发送给对应的目 的终端上，避免将数据发送到无关端口，提供了网络利用率。下次再遇到相同的 MAC 地址时，可以直接从缓存中获取对应的端口信息。
另外一种情况，由于广播域（二层互通）的存在，每个设备都能够直接访问到同一广播域内的所有其他设备。如果是没有学习到的 MAC 地址，或者想跟网段内所有终端进行通信，交换机会使用广播方式，将数据帧进行泛洪，无需对目标设备进行地址解析和寻址，可以更快速地定位和转发数据包。然后只有相应的接收者才接收包，而其他设备则会忽略这个包。
举例，有三台电脑连接同一台交换机，计算机的 MAC 地址简化为 AAA、BBB 和 CCC。现在，假设计算机 A 要向计算机 B 发送一些信息：
交换机将建立一个 MAC 地址表，并且只从源 MAC 地址中学习。此时，它刚刚得知计算机 A 的 MAC 地址在接口 1 上。它现在将在其 MAC 地址表中添加此信息。但交换机目前没有计算机 B 所在位置的信息。因此只能将此帧从其所有除来源之外的接口中洪泛出来。计算机 B 和计算机 C 将接收该以太网帧。
由于计算机 B 将其 MAC 地址视为该以太网帧的目的地，它知道它是为他准备的，计算机 C 将丢弃它。计算机 B 将响应计算机 A，构建一个以太网帧并将其发送给交换机。此时，交换机将学习计算机 B 的 MAC 地址。
当同一个交换机下主机越来越多，网络规模越大，广播域就越大，泛洪流量也越来越大，降低通信效率。在一个广播域内的任意两台主机之间可以任意通信，通信数据有被窃取的风险。
有两种方案可以解决这个问题：
对于分布在不同交换机之下同一个 VLAN 的主机如何互达呢？对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作 Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接，即可保证同一个 VLAN 互达。
二层交换机通过使用 VLAN 分隔广播域，位于同一个 VLAN 下的终端才能进 行数据帧交互。对于不同 VLAN 的终端有通信需求时，就必须使用路由功能， 也就是需要额外添加路由器。二层交换机和路由器组合使用，才能完成跨 VLAN 的通信。基于类似的需求，三层交换机应运而生。使用三层交换机就不需要其它网络设备，能够直接完成不同 VLAN 之间的通信。
集线器工作在物理层，以太网 LAN 的一种中继器形式，具有多个端口（它们有时也称为“多端口中继器”或“活动星形网络”）。
每个端口（或接口）允许一台设备连接到集线器。通过端口 F 连接的系统正在向端口 C 连接的系统发送一帧数据。集线器由于工作于物理层，无法识别帧头中的地址，因此无法识别要发送到哪个端口到。因此，采用“广播模式”，每一帧都被发送到每个输出端口，然后让主机来判断是否需要。
举例来源：《Wireshark 网络分析就这么简单》
两台服务器 A 和 B 的网络配置如下图，B 的子网掩码本应该是 255.255.255.0，被不小心配成了 255.255.255.224。它们还能正常通信吗？
以上哪个答案是正确的？还是都不正确？如果这是你第一次听到这道题，不妨停下来思考一下。
答案揭晓：B 先把请求交给默认网关，默认网关再转发给 A。而 A 收到请求后直接回复给 B，形成如下所示的三角形环路。不知道你答对了吗？
转自：https://www.cyningsun.com/03-19-2023/network-device-and-concept.html
