3.1 信号在网线和集线器中传输

每个包都是独立传输

转发设备会根据包头部中的控制信息，在转发设备内部一个写有转发规则的表中进行查询，以此来判断包的目的地，然后将包朝目的地的方向进行转发。

我们家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能，像图上这样使用独立设备的情况很少见。

防止网线中的信号衰减很重要

网卡中的PHY（MAU）模块负责将包转换成电信号，信号通过RJ-45接口进入双绞线，这部分的放大图如图3.2的右侧部分所示。以太网信号的本质是正负变化的电压，大家可以认为网卡的PHY（MAU）模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路。

信号到达集线器的时候并不是跟刚发送出去的时候一模一样。集线器收到的信号有时会出现衰减。信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失。网线越长，信号衰减就越严重。

“双绞”是为了抑制噪声

首先，我们来看看噪声是如何产生的。产生噪声的原因是网线周围的电磁波，当电磁波接触到金属等导体时，在其中就会产生电流。因此，如果网线周围存在电磁波，就会在网线中产生和原本的信号不同的电流。由于信号本身也是一种带有电压变化的电流，其本质和噪声产生的电流是一样的，所以信号和噪声的电流就会混杂在一起，导致信号的波形发生失真，这就是噪声的影响。

影响网线的电磁波分为两种。一种是由电机、荧光灯、CRT显示器等设备泄漏出来的电磁波。另一种电磁波是从网线中相邻的信号线泄漏出来的。由于传输的信号本身就是一种电流，当电流流过时就会向周围发出电磁波，这些电磁波对于其他信号线来说就成了噪声。这种内部产生的噪声称为串扰（crosstalk）。

集线器将信号发往所有线路

集线器将信号发送给所有连接在它上面的线路。

由于集线器只是原封不动地将信号广播出去，所以即便信号受到噪声的干扰发生了失真，也会原样发送到目的地。这时，接收信号的设备，也就是交换机、路由器、服务器等，会在将信号转换成数字信息后通过FCS校验发现错误，并将出错的包丢弃。当然，丢弃包并不会影响数据的传输，因为丢弃的包不会触发确认响应。因此协议栈的TCP模块会检测到丢包，并对该包进行重传。

3.2 交换机的包转发操作

交换机根据地址表进行转发

大家可以认为交换机的每个网线接口后面都是一块网卡。网线接口和后面的电路部分加在一起称为一个端口，也就是说交换机的一个端口就相当于计算机上的一块网卡。

交换机的端口不核对接收方MAC地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此，和网卡不同，交换机的端口不具有MAC地址。

将包存入缓冲区后，接下来需要查询一下这个包的接收方MAC地址是否已经在MAC地址表中有记录了。MAC地址表主要包含两个信息，一个是设备的MAC地址，另一个是该设备连接在交换机的哪个端口上。

交换机根据MAC地址表查找MAC地址，然后将信号发送到相应的端口。

MAC地址表的维护

交换机在转发包的过程中，还需要对MAC地址表的内容进行维护，维护操作分为两种。

• 第一种是收到包时，将发送方MAC地址以及其输入端口的号码写入MAC地址表中。由于收到包的那个端口就连接着发送这个包的设备，所以只要将这个包的发送方MAC地址写入地址表，以后当收到发往这个地址的包时，交换机就可以将它转发到正确的端口了。交换机每次收到包时都会执行这个操作，因此只要某个设备发送过网络包，它的MAC地址就会被记录到地址表中。

• 另一种是删除地址表中某条记录的操作，这是为了防止设备移动时产生问题。比如，我们在开会时会把笔记本电脑从办公桌拿到会议室，这时设备就发生了移动。从交换机的角度来看，就是本来连接在某个端口上的笔记本电脑消失了。这时如果交换机收到了发往这台已经消失的笔记本电脑的包，那么它依然会将包转发到原来的端口，通信就会出错，因此必须想办法删除那些过时的记录。然而，交换机没办法知道这台笔记本电脑已经从原来的端口移走了。因此地址表中的记录不能永久有效，而是要在一段时间不使用后就自动删除。

交换机会自行更新或删除地址表中的记录，不需要手动维护。当地址表的内容出现异常时，只要重启一下交换机就可以重置地址表，也不需要手动进行维护。

特殊操作

当交换机发现一个包要发回到原端口时，就会直接丢弃这个包。还有另外一种特殊情况，就是地址表中找不到指定的MAC地址。这可能是因为具有该地址的设备还没有向交换机发送过包，或者这个设备一段时间没有工作导致地址被从地址表中删除了。这种情况下，交换机无法判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上，无论该设备连接在哪个端口上都能收到这个包。这样做不会产生什么问题，因为以太网的设计本来就是将包发送到整个网络的，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。

如果接收方MAC地址是一个广播地址[插图]，那么交换机会将包发送到除源端口之外的所有端口。
广播地址（broadcast address）是一种特殊的地址，将广播地址设为接收方地址时，包会发送到网络中所有的设备。MAC地址中的FF:FF:FF:FF:FF:FF和IP地址中的255.255.255.255都是广播地址。

全双工模式可以同时进行发送和接收

全双工模式是交换机特有的工作模式，它可以同时进行发送和接收操作，集线器不具备这样的特性。

在全双工模式下，无需等待其他信号结束就可以发送信号，因此它比半双工模式速度要快。由于双方可以同时发送数据，所以可同时传输的数据量也更大，性能也就更高。

自动协商：确定最优的传输速率

由相互连接的双方探测对方是否支持全双工模式，并自动切换成相应的工作模式。还能探测对方的传输速率并进行自动切换。这种自动切换的功能称为自动协商。

在以太网中，当没有数据在传输时，网络中会填充一种被称为连接脉冲的脉冲信号。在没有数据信号时就填充连接脉冲，这使得网络中一直都有一定的信号流过，从而能够检测对方是否在正常工作，或者说网线有没有正常连接。以太网设备的网线接口周围有一个绿色的LED指示灯，它表示是否检测到正常的脉冲信号。如果绿灯亮，说明PHY（MAU）模块以及网线连接正常。

在双绞线以太网规范最初制定的时候，只规定了按一定间隔发送脉冲信号，这种信号只能用来确认网络是否正常。后来，人们又设计出了具有特定排列的脉冲信号，通过这种信号可以将自身的状态告知对方。自动协商功能就利用了这样的脉冲信号，即通过这种信号将自己能够支持的工作模式和传输速率相互告知对方，并从中选择一个最优的组合。

交换机可同时执行多个转发操作

交换机只将包转发到具有特定MAC地址的设备连接的端口，其他端口都是空闲的。如图3.7中的例子所示，当包从最上面的端口发送到最下面的端口时，其他端口都处于空闲状态，这些端口可以传输其他的包，因此交换机可以同时转发多个包。

相对地，集线器会将输入的信号广播到所有的端口，如果同时输入多个信号就会发生碰撞，无法同时传输多路信号，因此从设备整体的转发能力来看，交换机要高于集线器。