编织世界：数据的旅途与它的摆渡者

上一篇说到，地址决定了数据“去哪里”的问题，而计算机设备决定了数据“如何去”的问题。在这篇文章中，我们将讲解计算机网络中常见的设备。

一、数据链路

计算机网络是指计算机与计算机相连而组成的网络。而计算机之间又通过电缆相互连接。根据数据链路的不同可以选择不同的电缆。常见的电缆有双绞线电缆、光纤电缆、同轴电缆、串行电缆等。而媒介本身也可以分为微波、电波等不同类型。

在数据传输中，两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率，也叫带宽。一般来说，数据链路中的带宽是固定的，即使带宽低，也不会出现忽快忽慢的情况。而且带宽大也不是指传输速度快，而且指单位时间内传输数据量多。带宽越大网络传输能力越强。

除此之外，带宽和吞吐量都以bps为单位，但含义不同。带宽表示理论最大传输能力，而吞吐量表示实际传输速率。同时，CPU处理能力，网速，报文中数据字段的占有份额也可以用吞吐量来衡量。

网络设备之间的连接需要遵循相同的规范。每个厂商都要根据规范生产相应的网络设备，否则会出现无法兼容，容易故障等问题。

尤其是在技术过渡期，新的标准未出现，旧的标准不适用时，不同厂商生产的设备经常会出现一些问题。所以在选购网络设备时，除了看规格参数还应该注意兼容性和性能指标。

二、网卡

任何一台计算机，想要接入互联网必须要使用网卡。网卡，全称为网络接口卡，有时也叫NIC卡（虽然网络信息中心也叫做NIC，但两者不同，要注意区分）、网络适配器、LAN卡。

有些厂商将网卡集成到了主板里，但有的也可以单独插入扩展槽中使用。有的笔记本电脑没有内置NIC卡，则可以通过ExpressCard、CardBus、压缩闪存或者USB等方法插入NIC卡。

三、中继器

中继器是物理层上延长网络的设备，用来将电缆传来的信号调整和放大，以后传给另一个电缆。

一般情况下，中继器两端连接的是相同的通信媒介，有的中继器也可以在不同的媒介中使用。比方说在同轴电缆和光缆之间调整信号。需要注意的是、中继器只在物理层对信号进行再生和放大，不理解也不校验数据内容。此外，它只负责将电信号转化为光信号，因此不能在带宽不同的媒介之间转发。

由于数据在传输过程中，必然伴随着丢失，导致失真，因而中继器是不能无限制地连接的。在10Mbps的以太网中最多可连接4个中继器，而在100Mbps的以太网中，最多只能连接2个中继器。

有种提供多个端口服务的中继器也被称为集线器或中继集线器，缩写为Hub。Hub可以认为是多端口中继器。

四、网桥

OSI第二层——数据链路层上连接两个网络的设备叫做网桥。

网桥能够识别数据链路层中的数据帧（可以简单理解为分组数据），并将其临时存储在内存之中，再重新生成信号作为一个全新的帧转发给相邻的另一个网段。网桥能够连接传输速率不同的数据链路，并且不限制连接网段的个数。

FCS是数据帧中的一个数据位，用来校验数据是否正确送达目的地。网桥用CRC方式检验数据帧中的位。因为有时由于噪音导致通信信号越来越弱，而这种CRC正是用来检查数据是否因此损坏的。网桥通过CRC检查FCS中的值，将损坏的数据丢弃，避免发送给别的网段。

网桥还可以通过地址自学机制和过滤功能控制网络流量。这里所说的地址指网络针对NIC分配的具体地址，包括MAC地址、硬件地址、物理地址以及适配器地址等。

我们举一个例子来说明网桥的工作方式。

现在有主机A、B、C，Hub1和Hub2，网络A、B和网桥，主机A和主机B在网络A中，主机C在网络B中，网桥连接HubA、B，而Hub1连接主机A和主机B，hub2连接主机C。

现在，主机A向主机B发送数据帧，首先数据经过Hub1，Hub1会将数据广播给所有端口，因此主机B和网桥都会收到主机A的帧。网桥由此学习到主机A的地址位于网络A。但网桥并不知道主机B的位置，便泛供给网络B，由于主机B不在网络B中，所以网络B没有任何回应。

现在轮到主机B向主机A发送数据帧，同样先发给Hub1，之后发给主机A和网桥，现在网桥知道了主机B的位置。此后当主机A再发数据帧给主机B时，只在A中传送。

以太网等网络中经常使用的交换集线器就是网桥的一种。我们将具有网桥功能的hub称为交换集线器。

五、路由器

连接OSI参考模型第三层——网络层的两个网络、并对分组报文进行转发的设备叫做路由器。

与网桥根据MAC地址处理不同，路由器或者叫三层交换机是根据ip地址进行处理的。路由器可以连接不同的数据链路。我们平常说的宽带是一种接入方式，宽带接入通常需要通过路由器进行连接。

路由器可以分担网络负荷，有些路由器还具备一定的网络安全功能，因此，在网络设备中，路由器起着极其重要的作用。

六、4～7层交换机

4～7层交换机负责处理OSI模型中从传输层到应用层的数据。

比方说现在有一个并发访问量非常大的一个企业级Web站点，使用一台服务器不能满足前端访问需求，这时通常会架设多台服务器来分担。这些服务器前端访的入口地址通常只有一个，为了能通过同一个URL将前端访问分配到多台服务器，可以在前端加一个负载均衡器。负载均衡器就是一种4~7层交换机。

此外，还可以通过DNS实现负载均衡。通过对多个IP地址配置同一个名字，每次查询到这个名字的客户得到其中的某一个地址，从而使不同客户访问不同的服务器。这也被叫做轮询DNS技术。

另外，47层交换机还可以进行带宽控制处理。在实际通信中，如果遇到网络拥堵，可以优先处理及时性要求较高的通信请求比如语音，而放缓及时性要求较低的通信请求比如邮件。带宽控制是47层交换机的重要功能之一。

在广域网加速器、特殊应用访问加速器以及防护墙等、4~7层交换机应用广泛。

七、网关

网关是OSI参考模型中负责将从传输层到应用层的数据进行转换和转发的设备。网关不仅负责转发数据，还负责转换数据，它通常使用一个表示层或者应用层网关将不同协议的两个数据进行翻译，从而实现直接通信。

互联网邮件和手机邮件有时不能互相兼容，因为他们遵循的“电子邮件协议”不同。而在互联网和手机之中设置一道网关，即使双方协议不同，计算机和手机之间也可以相互发邮件。

在WWW的使用过程中，为了控制网络流量和出于安全的考虑，有时会使用代理服务器，这也是网关的一种，称为应用网关。这样，客户端与服务器不用在网络层通信，而是从传输层到应用层对数据和访问进行控制和处理。比方说防火墙。

八、现代网络实态

我们先看现代网络的配置。

在计算机网络中，存在着“主干网络”和“边缘网络”。前者相当于高速公路，被称为“骨干”或“核心”，是计算机网络的中心。这一部分通常配有高速路由器使之能够传输大量数据。而后者相当于高速公路的出入口，常配有功能路由器（比普通路由器多了按顺序/种类发送的功能）和3层交换机。

而连接“边缘网络”的部分叫做“接入层”或者“汇聚层”。这样，主干网络专注于提升传输性能和网络生存性，而将具有业务智能化的高速路由器和交换机转移到“边缘网络”。

有时网络会发生拥堵，传输时快时慢，这就相当于公路发生了堵车、限行。这时需要增加通信电缆扩大物理层。此外，计算机还会在上层逻辑信道中进行传输。因此，如果在搭建网络时提前做好准备，就可以根据虚拟逻辑信道，按需调整宽度。

比如你在公路上堵车了，那么可以换路，而不论是走哪条路，都可以认为走了原来那条路。这就是逻辑信道。在现在计算机网络中，高速光纤通信与高性能通信设备之间的延迟已经越来越小，我们平时生活中几乎已经感觉不到了。

接下来我们说一说网络的构成。

人们联网时，一般会使用互联网。联网后，在无线局域网路由器和最近交换机的通信会再次被连接到“接入层”，或者可以通过“边缘网络”或者“主干网络”进行相互通信。而规模较大的公司，在网站使用人数较多，或者有大量访问进入的情况下，可以直接接入“边缘网络”。

接下来讲讲移动通信。

手机会自动与距离最近的基站发生无线通信，基站上设有特定的手机基站天线，基站本身可以作为“接入层”。

一部手机与另一部手机通信时，其发出的请求会经过基站一直传送到对方手机所在的基站。基站收集的通信请求被汇集到控制中心（“边缘网络”），之后接入到互联通信控制中心的主干网络。这与互联网的接入机制相似。

九、从信息发布者角度看网络

在以往，个人和企业自己制作网站并部署但服务器中将发布的信息公之于众。

现在，大多数人通过博客、托管主机（将信息发布的主机放在互联网数据中心的机房，或者从中租赁一台主机作为发布信息的服务器）发布信息。这样就不需要维护与管理服务器，只要关注自己发布信息的网站即可。顺带一提，托管主机通常有即时传播信息的机制。

此外还有一个设备叫数据中心。比方说，有一个插画网站，投稿者来自世界各地，网站将他们的投稿上传到服务器发布，对于人气高的作品可能会有好几万的访问量，于是为了减少访问延迟，托管主机服务会集合多个储存在一起，通过连接高速网络来提升相应速度。这种方法便称为网络中心。

数据中心由大型服务器、存储以及计算机网络组成。有些大型数据中心甚至会连接“主干网络”，即使是小规模的数据中心，一般情况下也会连接“边缘网络”。

数据中心一般配置有三层交换机和高速路由器，也有使用研究中的高性能二层交换机。

十、虚拟化与云

我们或多或少都接触过抽奖、网游、资源下载网站。这些网站的特点是会有明显的访问高峰点。比方说抽奖网站，在活动期间访问量非常高，而抽奖活动结束后几乎无人问津。同时，网站必须确保，无论是高峰期还是低峰期，用户都可以正常访问。

类似抽奖网站，有些网站因为提供的内容和性质对网络资源的需求随时都会发生变化，为每个网站提供相同的网络资源显然是低效的。

基于此，虚拟化技术应运而生。他是指一个网站或其他系统在需要调整所需资源时，并不增加硬件，而且将物理设备虚拟化，在增减资源时通过软件按量增减。

而利用虚拟化技术，根据使用者的情况动态调整网络资源的机制称为“云”。另外，将虚拟化的系统根据需要自动地进行动态管理的部分叫做“智能协调层”，智能协调层相当于云平台的管理与调度核心，负责资源自动分配与优化，它能将物理设备看作一个整体进行管理。有了“云”，就可以根据需要自动调整存储、CPU、内存等资源。

结语

至此，我们《编织世界》第一季便告一段落了。第一季我们主要介绍了网络的基础知识，从计算机网络里历史讲到协议和OSI参考模型，再从地址讲到网络硬件设备。同时也表示《图解TCP/IP》第一章 网络基础知识 读完了。事实上下一章《TCP/IP基础知识》才是正片，我们会从它的历史开始讲起，到实际应用结束。

后记

然鹅，第二季现在还没有出现
这个系列到这里就算是结束了，写这篇的时候我记得还加了点儿新技术，信息技术的发展日新月异，这本书里的东西真的有够旧了。
才发现我以前的更新频率是真的快，现在真是堕落了，唉。