路由器的工作原理

一.路由器的工作原理

​ 路由器的英文名是Router，是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络中承担寻路的功能——寻找各个网络节点之间的路。在网络间起网关的作用，因此路由器又叫做网关设备（Gateway）。换句话说，路由器就像是快递中转站，包裹会经过一个个的中转站，从遥远的地方寄到你家附近。网络中的数据包就像快递包裹一样，通过路由器进行传输。

​ 路由器是读取每一个数据包中的地址，然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。它能够理解不同的协议，例如某个局域网使用的以太网协议，因特网使用的TCP/IP协议。这样，路由器可以分析各种不同类型网络传来的数据包的目的地址，把非TCP/IP网络的地址转换成TCP/IP地址，或者反之；再根据选定的路由算法把各数据包按最佳路线传送到指定位置。所以路由器可以把非TCP/ IP网络连接到因特网上。

​ 路由器和交换机一样，也有自己的小本本，我们称这个表为路由表，这个路由表上记载了到各个网络节点之间的路，会记录数据来源、相应的路由条目以及下一跳。

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​ 路由表就相当于路由器的导航，路由器只需要按照路由表的指示走就可以了。当然前提是，路由表中存在匹配该数据包目的 IP 地址的路由条目。路由表会周期性更新，当网络拓扑发生变化时也会更新，不用担心走错路。路由器收发数据包的流程如下：

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​ 路由条目的获取来源有很多种，比如说直连、静态路由和动态路由。

• 直连，也就是路由器的直接邻居。路由器会直接认识邻居，然后记录下来。

​ 当然，也可以通过手动添加的方式告诉路由器目的网段的路径，也就是静态路由，适合网络规模比较小的场景。但是当网络拓扑发生变化，或是规模扩大的时候，配置和维护的成本就会很高。这时候就需要结合动态路由，让路由器通过动态的方式来学习。在大型网络中，往往采用这种动、静路由相结合的方式进行部署。

​ 先来了解一下二层寻址，所谓的二层寻址，就是交换机根据 MAC 地址，在物理层进行寻址。那么**三层寻址就是指路由器根据 IP 地址，在网络层进行寻址。**路由器的三层寻址流程如下所示：

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​ 当主机想要发送数据的时候，首先会查看目的地是否和自己在同一个网段，如果在同一个网段就会让交换机进行二层转发。如下图所示，PC1 要给 PC2 发送数据，就会通过交换机来完成。

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​ 如果不在同一个网段，主机会把数据包交给自己的路由器，路由器再根据目的 IP 查询自己的路由表，如果有匹配的条目，则交给下一跳，没有就丢弃。如下图所示，PC1 要给 PC3 发送数据，发现 PC3 和自己不在同一个网段，就会把数据包交给路由器 A，再根据路由表的条目转发给路由器 B -> C，最后通过交换机 C 送达 PC3。

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​ 既然路由器是负责找路的，那条条大路通罗马，哪条大路最近呢？
​ 默认情况下，路由的查询遵循最长匹配原则，也就是掩码越长、越精确，路由器就会优先选择那条路。然后考虑路径开销，比如说带宽、管理距离、度量值等。也就是如果从这条路走，要花上多少时间和金钱。绝大部分数据通信行为是双向的，考虑流量的时候，还要关注流量的往返，从这条路去，也得从这条路回来，回来的时候没路了，这也不行。

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​ 路由查询的行为是逐跳的，到目标网络沿途的每个路由器都必须有关于该目标网段的路由信息。简单来说，数据包每经过一个路由器，路由器就会告诉它下一跳是谁，该往哪个方向走。

​ 路由器选型可以考虑这几个因素：

• 宽带需求/转发性能
• 端口数量
• 带机量

​ 比如说家里拉了千兆宽带，那么路由器一定得是千兆路由器，还要满足千兆 NAT 转发的性能。顺带一提，运营商配的光猫是自带路由功能的，如果没有特殊需求，普通家庭一般够用了。
​ 一般家用场景，路由端口用的不太多，可以通过交换机补充。大部分商用场景，4-12 口也就够了，再多的话，相信大部分企业会选择三层交换机。
​ 带机量是一个很重要的指标，我们一般会考虑并发用户，还有用户的业务类型。

​ 以 UniFi 的网关设备为例：USG 可以到 100 并发，普通家庭或小微企业，都足够用了；USG-Pro-4 带机量可以到 1000 并发，中小企业需求基本可以满足；如果还有更高需求，可以使用 UDM-Pro。

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​ 现在很多用户在用终端设备连接WiFi的时候会发现路由器都有两个信号2.4G和5G，那么这两个有什么区别呢？
​ 在早期传统的路由器其实只有一个2.4G频段的WiFi信号，2.4G信号频率低，在空气或者障碍物中传播时衰减较小，相对转播距离也就更远，由于绝大多数的无线路由器都是2.4G在工作，导致了信号之间干扰较大，非常影响网速。所以之后的路由器发展中增设了5G频段，也就是我们现在常见的双频路由器，5G信号频率较高，在空气或障碍物中传播时衰减较大，信号覆盖距离要比2.4G信号小，无线环境比较干净干扰也少，网速跟稳定，并且可以支持更高的无线速率。

​ 两个频段各有各的优点和缺点，如果你走动范围较大，那么建议连接普通2.4G WiFi即可，主要是由于5G频段WiFi信号覆盖相比2.4G没有优势。如果你靠近双频路由器附近，无疑建议使用5G WiFi，在信号上更加稳定，网速也更快一些，那么有人问了，每次切换都要在设备里点击链接非常的麻烦，有没有那种根据终端距离和使用网速的快慢自动切换两个频段的路由器呢？答案是：当然是有的，中兴双频双千兆智能路由器 E508，双频合一，根据你走动范围的远近自动无感切换2.4G和5G的频段

二.路由器和三层交换机的区别

​ 当交换机收到数据时，它会检查它的目的MAC地址，然后把数据从目的主机所在的接口转发出去。交换机之所以能实现这一功能，是因为交换机内部有一个MAC地址表，MAC地址表记录了网络中所有MAC地址与该交换机各端口的对应信息。某一数据帧需要转发时，交换机根据该数据帧的目的MAC地址表，从而得到该地址对应的端口，即知道具有该MAC地址的设备是连接在交换机的哪个端口上，然后交换机把数据帧从该端口转发出去。

• 1.交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。
• 2.交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。
• 3.如果数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）。
• 4.广播帧和组播帧向所有的端口转发。

例：某网络拓扑图

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上图中的端口/MAC地址映射表：

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 假设主机pc1向主机pc7发送一个数据帧，该数据帧被送到交换机后，交换机首先查MAC地址表，发现主机pc7连接在E0/24接口上，就将数据帧从E0/24接口转发出去。 

（1）学习

​ 以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中.

（2）转发/过滤

 当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口) 

（3）消除回路

 当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。 

​ 二层交换技术是发展比较成熟，二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。具体的工作流程如下：

（1） 当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；

（2） 再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

（3） 如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；

（4） 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。

​ 不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。

从二层交换机的工作原理可以推知以下三点：

（1） 由于交换机对多数端口的数据进行同时交换，这就要求具有很宽的交换总线带宽，如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是 M，交换机总线带宽超过N×M，那么这交换机就可以实现线速交换；
（2） 学习端口连接的机器的MAC地址，写入地址表，地址表的大小（一般两种表示方式：一为BEFFER RAM，一为MAC表项数值）， 地址表大小影响交换机的接入容量；
（3） 还有一个就是二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的ASIC芯片，因此转发速度可以做到非常快。由于各个厂家采用 ASIC不同，直接影响产品性能。

​ 第三层交换工作在OSI七层网络模型中的第三层即网络层，是利用第三层协议中的IP包的包头信息来对后续数据业务流进行标记，具有同一标记的业务流的后续报文被交换到第二层数据链路层，从而打通源IP地址和目的IP地址之间的一条通路。这条通路经过第二层链路层。有了这条通路，三层交换机就没有必要每次将接收到的数据包进行拆包来判断路由，而是直接将数据包进行转发，将数据流进行交换。

可以看出三层交换的特点：

• a.由硬件结合实现数据的高速转发。
• b.这就不是简单的二层交换机和路由器的叠加，三层路由模块直接叠加在二层交换的高速背板总线上，突破了传统路由器的接口速率限制，速率可达几十Gbit/s。算上背板带宽，这些是三层交换机性能的两个重要参数。
• c.简洁的路由软件使路由过程简化。
• d.大部分的数据转发，除了必要的路由选择交由路由软件处理，都是又二层模块高速转发，路由软件大多都是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。

​ 路由器是三层设备，即工作在网络层，可是三层交换机却可以同时工作在二层和三层，即可以工作在数据链路层和网络层。

事实上三层交换机与路由器还是存在很大的差别：

1、主要功能不同。
虽然三层交换机与路由器都具有路由功能，但不能因此而把它们等同起来。路由器不仅具有路由功能，还提供了交换机端口、硬件防火墙附加功能，其目的是使设备适用面更广、使其更加实用。
三层交换机也一样，主要功能仍是数据交换，只不过它是具备了一些基本的路由功能的交换机。三层交换机同时具备了数据交换和路由转发两种功能，但其主要功能还是数据交换；而路由器仅具有路由转发这一种主要功能。

2. 主要适用的环境不一样。
三层交换机的路由功能通常比较简单，因为它所面对的主要是简单的局域网连接。特性远没有路由器那么复杂。它用在局域网中的主要用途还是提供快速数据交换功能，满足局域网数据交换频繁的应用特点。
而路由器则不同，虽然也适用于局域网之间的连接，但它的路由功能更多的体现在不同类型网络之间的互联上，如局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等，优势在于选择最佳路由、负荷分担、链路备份及和其他网络进行路由信息的交换等。另外，为了与各种类型的网络连接，路由器的接口类型非常丰富，而三层交换机则一般仅同类型的局域网接口，非常简单。

3、技术实现不一样。
路由器和三层交换机在数据包交换操作上存在着明显区别。路由器一般由基于网络处理器或多核的路由引擎执行数据包交换。而三层交换机通过硬件执行数据包交换。三层交换机在对第一个数据包送控制面进行路由查找后，它将会产生一个供数据面查找的MAC地址与IP地址的映射表，当同样的数据流再次通过时，将根据此表查表通过，而不是再次送控制面查路由（即“一次路由，多次交换”），提高了数据包转发的效率。
三层交换机的路由查找是针对数据流的，它利用缓存技术，很容易利用ASIC技术来实现，因此，可以大大节约成本，并**实现快速转发。**而路由器的转发采用最长匹配的方式，实现复杂，一般采用价格高昂的网络处理器或多核处理器实现，并且路由表数目庞大，成本相当高。

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​ 二层交换机用于小型的局域网络。在小型局域网中，广播包影响不大，二层交换机的快速交换功能、多个接入端口和低谦价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。

​ 三层交换机的最重要的功能是加快大型局域网络内部的数据的快速转发，加入路由功能也是为这个目的服务的。如果把大型网络按照部门，地域等等因素划分成一个个小局域网，这将导致大量的网际互访，单纯的使用二层交换机不能实现网际互访；

​ 如果单纯的使用路由器，由于接口数量有限和路由转发速度慢，将限制网络的速度和网络规模，采用具有路由功能的快速转发的三层交换机就成为首选。

三.二三层网络互联设备的剖析

通信网络有很多层次，每个层次都有几个互联设备常常出现在聊天中，包括：网桥、交换机、路由器、网关等等。

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数据链路层对应于OSI模型中的二层。

​ 网桥（Bridge）工作在数据链路层，将两个LAN（局域网）连起来，根据MAC地址来转发帧。网桥工作在链路层的MAC子层，有MAC地址学习功能，避免对所有帧都进行广播。
​ 通俗来讲就是在多端互联的大陆上，有一座桥架在局域网通信的路上，但是他只放行与目的MAC地址匹配的数据过桥。这样不同网段之间就不会互相影响工作了。
​ **注意：**MAC地址用于在网络中唯一标识一个网卡，一台设备若有一个或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

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​ 交换机（Switch）意为“开关”，是一种用于电（光）信号转发的网络设备，可以为接入交换机的任意两个网络节点，提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机，其他的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
​ 交换机能分辨出帧中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意两个端口间建立联系，在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。
​ 其实可以理解为交换机收到了一位母亲的请求：帮她给在学校里的女儿B带个消息。交换机就拿广播台的大喇叭喊：“B，你妈妈找你，收到请来回复我！！”，B就告诉交换机我是哪个班的坐在哪儿，交换机再告诉她的妈妈消息带给她女儿了。等下次妈妈再需要给女儿B带个消息，交换机就可以直接找到B去告诉她，不再需要大喇叭喊了。一般而言，交换机需要建立MAC表来进行设备间的联系。

​ **路由器（Router）**是连接两个或多个网络的硬件设备，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备，其作用为：广播、组播控制，对数据做寻址，选择到达目的网络的最佳途径，流量管理，连接广域网(WAN)。与交换机拿着大喇叭喊不同，路由器就像一个快递员，当你（终端）想给远在北京的朋友（另一个终端）寄快递。

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• 首先你需要包装好并填上寄件人收件人信息（封装数据信息，里面有对方的IP地址）。
• 然后把快递交给快递员（路由器）。
• 最终快递员会根据快递公司的安排进行中转（根据IP和路由表进行路径选择），把快递送到你朋友的手上。

​ 所以说路由器连接设备主要是靠IP和路由表进行路径的选择。

​ **三层交换机（Layer 3 Switch）**通过引入路由功能，也可以在网络层转发数据。其主要目的是加快大型局域网内部的数据交换。要说三层交换机在诸多网络设备中的作用，用“中流砥柱”形容并不为过，在校园网、城域教育网中都有三层交换机的用武之地。其中的核心骨干网一定要用三层交换机，否则整个网络成千上万台的计算机都在一个子网中，不仅毫无安全可言，也会因为无法分割广播域而无法隔离广播风暴。

​ 在教室里，两个男生特别喜欢坐在他们身后的班花，就不停地看着她，忽然，班花站起来准备走了，在路过他们身边的时候塞给了坐在一边的男生一个卷起来的小纸条。这个男生打开纸条查看里面写了什么（向上层解封装），然后发现上面写着“请将纸条递给下一个人”…三层交换机也是这样，一看原来目的IP地址不是自己，这才执行路由层面的转发。
​ **所以说交换机在执行要不要三层转发，是在目的MAC是自己的同时，IP地址是不是自己，**如果是自己那还转发什么，就不用转发了。

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​ 几个互联设备之间或多或少有一些相似点，在这里以交换机为对比项，用表格的形式来区分设备之间属性的不同点。

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四. 路由器光猫

​ 说路由器之前，我们就要先聊聊猫的作用。什么是猫呢？猫就是Moden，也叫宽带上网调制解调器。
​ 网线承载了信号的发送，而猫的任务就是解析这些信号，然后路由器接收到了猫发出的信号以后，再进行拨号上网，当然现在很多猫已经集成了路由的功能，不过我个人建议大家把猫跟路由的功能分开。
​ 猫这一块涉及到“调制”与“解调”的数模转换过程，今天这不是重点，主要说路由器在这里扮演的角色。现在家里都有很多设备上网，那么我们是怎么连接每台设备上网呢？

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​ 从图中我们可以看到，路由器的wan口接入外面进来的网线（一般家庭是猫接出的网线），然后路由器的LAN口分别接入我们需要上网的三台设备。从而达到所有设备都能上网的需求。
​ 图上的这三台设备跟外接互联网交换数据的时候，都需要发送自己的数据包，那么这么多数据包，如果确保每台电脑只接受自己需要的数据包呢？
​ 这就需要用到路由器的路由功能了。
​ 路由器我们拆开来理解，路就是道路（数据包的道路），由就是由哪来到哪去（A数据包与B数据包的通信道路），器就是集成了这些功能的一个器具。可能不太好理解。用图跟大家说明一下。

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​ 当三台电脑发出的数据包由一根网线发出以后，我们的应答方收到我们发出的数据，然后信息到家了，可是三台设备该送达给谁呢？路由器就是起到这个作用，就跟快递员分拣包裹一样，路由器分拣数据包，然后决定数据包去哪里。
​ 有时候大家可能说家里的wifi正常的不能上网，那么如果你以前wifi正常的可以上网，突然这样了，要么路由器WiFi模块出问题了，要么你的猫出问题，或者运营商线路问题都可能导致这些问题。一般简单的维护方法就是重启一下试试。

谁呢？路由器就是起到这个作用，就跟快递员分拣包裹一样，路由器分拣数据包，然后决定数据包去哪里。
​ 有时候大家可能说家里的wifi正常的不能上网，那么如果你以前wifi正常的可以上网，突然这样了，要么路由器WiFi模块出问题了，要么你的猫出问题，或者运营商线路问题都可能导致这些问题。一般简单的维护方法就是重启一下试试。

原文链接：https://blog.csdn.net/m0_47725713/article/details/128449527?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522171828104516800178564513%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=171828104516800178564513&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~times_rank-8-128449527-null-null.nonecase&utm_term=%E8%B7%AF%E7%94%B1%E5%99%A8%E3%80%81%E5%8D%83%E5%85%86