網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十五)：外行也能讀懂的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備功能原理速成
本文由黃工首先發(fā)表于strongerHuang公眾號，原題“網(wǎng)絡(luò)硬件的發(fā)展史”，本文有修訂。
1、引言
本文是《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門》系列文章的第15篇，本篇將繼續(xù)以通俗易懂的文字，幫你無腦理解各種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的功能原理。
本文不羅列復(fù)雜、全面的計算機網(wǎng)絡(luò)理論，目的是讓閱讀者脫離以往計算機理論專著的枯燥內(nèi)容，在寓教于樂的語言文字中輕松快速的掌握這些知識，適合入門者，計網(wǎng)大佬和網(wǎng)絡(luò)編程老油條們請略過。
學(xué)習(xí)交流：
- 移動端IM開發(fā)入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動端IM》
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（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4188-1-1.html）
2、如何連接個人計算機（PC）？
在發(fā)明網(wǎng)絡(luò)之前，個人計算機之間是獨立工作的，沒有網(wǎng)卡、網(wǎng)線或協(xié)議棧，主要使用磁盤、CD 和其他東西來傳輸數(shù)據(jù)。
后來，網(wǎng)線出現(xiàn)了。
最小的網(wǎng)絡(luò)單元由網(wǎng)線、網(wǎng)卡和協(xié)議棧組成：
1）網(wǎng)線起著物理介質(zhì)的作用，以傳輸比特流 / 電信號；
2）網(wǎng)卡將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（例如：它將計算機存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)線的比特流 / 電信號）；
3）協(xié)議棧作為一種通信語言，可以在通信過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、地址尋址和流控制。
3、網(wǎng)線不夠長怎么辦？
如果終端之間的距離太遠，一旦超過網(wǎng)線物理傳輸距離的上限，數(shù)據(jù)就會開始丟失。
中繼器是物理層的設(shè)備，可以中繼和放大信息以實現(xiàn)設(shè)備的遠距離傳輸。
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4、中繼器端口不足怎么辦？
中繼器通常只有兩個接口，這意味著如果網(wǎng)絡(luò)中有三個以上的終端主機，則無法實現(xiàn)多個主機之間的直接數(shù)據(jù)通信。
集線器是一種多接口中繼器，也是一個物理層設(shè)備。它可以中繼和放大信息，從任何接口接收的數(shù)據(jù)都將被發(fā)送到所有其他接口。
5、如何有選擇性的發(fā)送數(shù)據(jù)？
有人把網(wǎng)橋比喻成一個 “聰明” 的中繼器。因為中繼器只是對所接收的信號進行放大，然后直接發(fā)送到另一個端口連接的電纜上，主要用于擴展網(wǎng)絡(luò)的物理連接范圍。
而網(wǎng)橋除了可以擴展網(wǎng)絡(luò)的物理連接范圍外，還可以對 MAC 地址進行分區(qū)，隔離不同物理網(wǎng)段之間的碰撞（也就是隔離 “沖突域”）。
6、速度不夠快怎么辦？
交換機可以記錄該終端主機的 MAC 地址，并生成一個 MAC 表。MAC 表相當(dāng)于一個 “map”，交換機根據(jù) MAC 表在主機之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流。
交換機基于網(wǎng)橋進行擴展和升級。
與網(wǎng)橋相比，交換機具有以下優(yōu)點：
1）接口數(shù)量更密集（每個主機位于一個獨立的沖突域中，帶寬利用率大大提高）；
2）使用專用的 ASIC 硬件芯片進行高速轉(zhuǎn)發(fā)；
3）VLAN 隔離（不僅可以隔離沖突域，還可以通過 VLAN 隔離廣播域）。
交換機是一種局域網(wǎng)設(shè)備，通常用于局域網(wǎng)，不能實現(xiàn)遠程廣域網(wǎng)通信。
7、距離還不夠怎么辦？
世界上第一臺路由器是由斯坦福大學(xué)的 Leonard Bossack 和 Santi Lerner 這對教師夫婦為斯坦福大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò) (SUNet) 和思科公司發(fā)明的。
▲ 思科公司創(chuàng)始人Leonard Bossack 和 Santi Lerner 夫婦
路由器是一種基于 IP 尋址的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備，利用路由表來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。路由器主要用于連接不同的局域網(wǎng)以實現(xiàn)廣播域隔離，也可以用于遠程通信，如廣域網(wǎng)連接。
諸如 IP 協(xié)議之類的邏輯尋址機制是實現(xiàn)不同類型局域網(wǎng)連接的關(guān)鍵。不同局域網(wǎng)的主機只要具有邏輯地址（IP 地址）和合理的邏輯地址規(guī)劃（網(wǎng)段規(guī)劃)，它們就可以通信。
路由器的誕生是互聯(lián)網(wǎng)爆炸的主要原因，跨媒介、跨地域的網(wǎng)絡(luò)集成已成為現(xiàn)實。
8、接線太麻煩怎么辦？
無線 AP可以被視為具有無線功能的交換機 / 路由器。隨著無線城市和移動辦公的發(fā)展趨勢，無線產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)中所占的比例正在增加。
根據(jù)部署方式的不同，可以分為胖 AP 和瘦 AP 解決方案。
1）在胖 AP 方案中，無線 AP 具有獨立的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)可以獨立調(diào)試無線熱點的所有配置，類似于家用 Tp-link 產(chǎn)品。
2）在瘦 AP 方案中，無線 AP 僅具有無線信號傳輸功能，所有命令調(diào)試都集中在后臺的 AC / 無線控制器上。
小型無線網(wǎng)絡(luò)（家庭、小型企業(yè)）可以使用胖 AP 解決，而大型無線網(wǎng)絡(luò)（無線城市、無線園區(qū)網(wǎng)絡(luò)）則需要使用瘦 AP（AC + AP）解決。
9、不夠安全怎么辦？
防火墻是一種用于限制網(wǎng)絡(luò)安全訪問的網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品，通常用于 Internet 的邊緣，以防止外部黑客的攻擊。
根據(jù)防火墻的技術(shù)特點，可以分為包過濾、應(yīng)用代理和狀態(tài)檢測防火墻。根據(jù)產(chǎn)品形式，可以分為軟件防火墻和硬件防火墻。
防火墻可視為具有安全功能的路由器。早期的防火墻在路由器的基礎(chǔ)上增加了訪問控制功能，因此在路由器上可以看到許多防火墻的功能，例如路由協(xié)議、訪問控制列表、地址轉(zhuǎn)換技術(shù)等。
防火墻和路由器可以同時存在于網(wǎng)絡(luò)中。例如，防火墻可以放置在路由器之前或之后。在這種情況下，路由器側(cè)重于地址轉(zhuǎn)換和路由策略，而防火墻側(cè)重于安全隔離等。
在防火墻的基礎(chǔ)上，擴展出了 Web 防火墻、安全網(wǎng)關(guān)和入侵檢測 / 入侵防御等安全產(chǎn)品。
10、網(wǎng)絡(luò)擁塞怎么辦？
網(wǎng)絡(luò)中的流量控制設(shè)備主要分為：
1）上網(wǎng)行為管理；
2）負載均衡器 / 應(yīng)用交付；
3）鏈路優(yōu)化；
... ...
上網(wǎng)行為管理產(chǎn)品主要關(guān)注細粒度的區(qū)分和流量控制。
負載平衡 / 應(yīng)用程序交付側(cè)重于流量的負載平衡（根據(jù)流量特征、應(yīng)用程序、地址等進行區(qū)分，然后分配到不同的鏈接和服務(wù)器）。
鏈接優(yōu)化主要用于廣域網(wǎng)等低速鏈路的邊界，以使鏈路利用率最大化。
問題來了：組成一個網(wǎng)絡(luò)需要多少種設(shè)備？
11、家庭 SOHO 網(wǎng)絡(luò)
這是一個典型的家庭網(wǎng)絡(luò)，它通過無線路由器提供 WiFi 熱點訪問，并提供路由器連接到外部網(wǎng)絡(luò)。
12、小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)
小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用二層架構(gòu)、單核拓撲，需要路由器、交換機和服務(wù)器。
13、園區(qū)網(wǎng)
最常見的園區(qū)網(wǎng)架構(gòu)，如大中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò) / 校園網(wǎng)絡(luò)，采用接入?yún)R聚核三層架構(gòu)和雙核組網(wǎng)。
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求，分為：
1）用戶區(qū)；
2）內(nèi)部服務(wù)區(qū)；
3）外部服務(wù)區(qū)；
4）管理區(qū)；
5）Internet 區(qū)；
... ...
它們通過核心交換機和防火墻連接并隔離。
互聯(lián)網(wǎng)使用多出口連接，通過路由器實現(xiàn)撥號和?NAT，通過流量控制設(shè)備實現(xiàn)負載均衡 / 上網(wǎng)行為管理，通過防火墻實現(xiàn)安全隔離。
14、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)
上圖是典型的大型第二層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) / IDC 設(shè)計。
主要分為：
1）租戶區(qū)（服務(wù)集群）；
2）Internet 區(qū)；
3）安全管理區(qū)域。
租戶區(qū)：采用設(shè)備虛擬化和鏈路虛擬化技術(shù)，提高設(shè)備處理能力和鏈路承載能力，并將負載均衡器放置在服務(wù)器區(qū)域中，以合理有效的方式將流量分配給固定服務(wù)器。
Internet 出口區(qū)域：使用路由器執(zhí)行 BGP 和地址反轉(zhuǎn)，使用 IPS / anti-DDoS 設(shè)備進行大流量泛洪攻擊，使用流量控制執(zhí)行出口負載，并使用防火墻進行安全隔離。
安全管理區(qū)：通過防火墻安全訪問，通過審計、日志、入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)管理等產(chǎn)品對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理。
15、系列文章
本文是系列文章中的第15篇，本系列文章的大綱如下：
[1]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(一)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（上篇）
[2]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(二)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（下篇）
[3]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(三)：快速理解TCP協(xié)議一篇就夠
[4]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差異
[5]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(五)：快速理解為什么說UDP有時比TCP更有優(yōu)勢
[6]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門
[7]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(七)：深入淺出，全面理解HTTP協(xié)議
[8]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(八)：手把手教你寫基于TCP的Socket長連接
[9]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，為何還要用MAC地址？
[10]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十)：一泡尿的時間，快速讀懂QUIC協(xié)議
[11]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十一)：一文讀懂什么是IPv6
[12]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十二)：快速讀懂Http/3協(xié)議，一篇就夠！
[13]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十三)：一泡尿的時間，快速搞懂TCP和UDP的區(qū)別
[14]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十四)：到底什么是Socket？一文即懂！
[15]?網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(十五)：外行也能讀懂的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備功能原理速成（* 本文)
16、參考資料
[1]?快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（上篇）
[2]?快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（下篇）
[3]?假如你來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，會怎么做？
[4]?史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門
[5]?面視必備，史上最通俗計算機網(wǎng)絡(luò)分層詳解
[6]?技術(shù)往事：改變世界的TCP/IP協(xié)議（珍貴多圖、手機慎點）
[7]?P2P技術(shù)詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介
[8]?通俗講解，有了IP地址，為何還要用MAC地址？
（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4188-1-1.html）
