一、网关的本质是什么？
网关的英文Gateway，直译是“门户”或者“出入口”，“网关”就是“网络的关口”，或者说“网络的出入口”，更严谨一点说就是“当前子网的出入口”。当你用“当前子网的出入口”去理解网关后，就会很清晰的将其和路由器的概念区分开来：从网络层视角看，路由器才是那个“网间连接器”和“协议转换器”，它是网关的母体，一个网关仅是对应了路由器上的一个接口。要强调下，路由器一般都充当着网关的角色，但是却不能断言网关一定是路由器。因为路由器只是在网络层基于IP对网络进行分隔和连接，在链路层的交换机也可以基于MAC做类似的事，这里的网关就是交换机了，并且继续往上到应用层，也可以有自己的网关，那里则会基于应用层协议对网络进行管理。交换机通常是运行在网络OSI七层模型的第二层数据链路层，如图中，第三层网络层通常是路由器运行在该层，那么三层交换机就是说明交换机具有了路由器的某些功能，但是三层交换机是不能替代路由器的。交换机既然是利用端口进行网络数据传输，那么它是如何识别数据是谁给谁的呢？其实交换机通电后会自动建立一个端口地址表，也叫MAC地址表它会记录每个设备的MAC地址机和哪个端口连接的，它会有自动学习功能，一开始如果没有地址，每次经过交换机的信息，它都会读取并记录下送信息过来的设备端口MAC地址，如果下次有其他设备送信息给该设备，就直接送达了。最普遍的情况下，转发原则是这样的：交换机收到一个以太帧数据，它自己会比对交换机已经学习到的端口地址表，如果表里存在端口地址，直接在对应的端口转发出去。如果表里不存在，则会向剩下的每个端口（除送信息过来的端口）广播发送一条相同的信息。交换机A和交换机B，现在如果从主机01发一个数据到主机03，设定的前提是，交换机A和B的地址表都是空白。那么首先，从主机01发数据到交换机A，交换机A在收到数据以后，先识别出主机的MAC地址是01（假设是01因为每台设备都是16进制的唯一地址），端口号是1。交换机A查找自己MAC地址表，发现没有（如果有就直接转发），交换机A向其他的所有端口广播。交换机B收到数据信息后，识别并学习源地址和过来的端口号。交换机B查看地址表，发现没有，记录并向除了端口3以外的两个端口发送广播包。最后的情况是，主机02会收到数据一次，不是自己的，丢弃数据；主机03收到数据一次，正好是自己的，接收数据；主机04也收到一次，丢弃。整个转发过程就是这样了。交换机就是为网络而生的。假设有6台设备，现在要实现其中任意两设备之间的端到端的通信，且只有网线可用，这时最简单的架构莫过于“全状态”网络。在全状态网络中，每台设备都独立建立了到其余各台设备的专线，6台设备总共就需要15条线路。此时还看不到什么明显问题，但是当需要接入网络的设备持续增加时就会发现问题越来越明显。假设需要在n台设备间组建一个全状态网络，此时求需要的线路数量本质就是“从n个元素中取2个元素为一组，求全部的组合数”，依据高中的组合计算公式，结果就是n(n-1)/2条线路。而n(n-1)/2本质则是一个一元二次方程，函数图像是一个开口向上的抛物线，又因为n至少为2，所以可以发现其实际的函数图像非常陡峭。如此陡峭的函数曲线，不光意味着随着新的设备不断接入后的网络组建成本会狂飙，也意味着组建巨型网络几乎不可能，因为结构太复杂成本太高了。但此时如果引入一个中心节点情况便会大为改观。仍旧是6台设备间组网，通过与中心节点建立连接，可形成一个星形网络。此时的线路数量一下子就从原来的15下降到6了，腰斩一半还要多。而且随着接入设备的增多，星型网路需要的线路数量的增加是非常平稳的，其函数图像就是一个经过原点的45度直线，在接入网络的设备数量大于3之后，整个图像完全在全状态网络的抛物线之下。但问题是，简单粗暴的将6台设备通过一个中心节点连接的话，中心节点就像只有一个坑位的厕所，其是分时共享的，并不能同时满足全部设备的通信要求。有设备正在使用网络其他设备就必须等待，否则就会冲突，谁也用不了。于是交换机便应运而生：以交换机作为中心节点既能简化组网，又能满足全部设备的同时通信要求。所谓交换机的独享带宽是相对于集线器的共享带宽来说的，它俩在外观上很像，但功能上区别其实挺大。假设想要组建一个小型局域网，如果使用集线器连接，会发现随着接入设备增多，这个网络的通信会越来越卡，其原因就是集线器是个共享带宽的设备。这就像多人分蛋糕，参与分享的人越多，每个人分的越少。但交换机则不然。一台8端口的交换机，你只使用当中的2、3个端口接入2、3台设备，和将全部8个端口插满接入8台设备，在进行网络通信时是没有区别的，并不会因为接入设备变多而出现僧多粥少的局面。集线器本质就是个多端口的中继器，而中继器本质则是个信号放大器。设备间距离太远，网线太长导致信号衰减会影响通信，那就把一条长网线换成两条短网线，中间使用中继器连接，这信号衰减问题就解决了。但一个中继器只能连接两台设备，于是对其进行升级，增加更多端口，这就成集线器了。可是在没发明交换机之前，造成带宽只能分享不能独享的原因又是什么呢？原因是“冲突”。星型网络本质就是要多台设备同时通过一个中心节点通信，这显然会造成冲突。对这个冲突问题，集线器一点办法都没有，它只是个多端口信号放大器而已。这时解决冲突靠的是CSMA/CD协议，这个协议运行在网卡上，而网卡一般又被集成在计算机主板上，所以冲突问题实际是参与通信的计算机自己解决的。但基于CSMA/CD的冲突解决办法效率其实很低。CSMA/CD协议的内容简单说就是，在通信前先检测线路上是否有其他信息在传输，有就等待一个随机的时间，然后再探测线路上有没有其他信息在传输，还是有就又等待一个随机时间，如此循环直到没有就发送。在发送过程中也会持续保持冲突监听。这其实跟一个没有红绿灯的十字路口很像，需要司机自己看路况判断是等待还是直接通过。在车少时大家也许还能达成默契，但随着车辆增多，这种默契会越来越难维持，车速会越来越慢，最后发生堵塞。交换机是如何解决上述问题的呢？简单说就是弱化CSMA/CD协议在冲突处理中的作用，而改由作为中心节点的交换机来扛大梁。这就像给没有红绿灯的十字路口安装红绿灯，司机们不用自己决策来预防路口堵塞，而是统一听从灯信号指挥。这在本质上其实就是实现了一个粗糙的队列。当各个通信设备独立做决策时，因为不知晓其他设备的通信情况，只能依靠探测和随机等待来实现对中心设备的共享，是无法建立通信队列的。但交换机加入进来后，其他设备都与它通信，它就会像开了上帝视角一样俯瞰全局，进而轻松实现全部信息的统筹排队。可以排队了就不会有冲突，而没有了冲突也就实现独享带宽了。简单说就是，交换机是依靠建立队列实现的独享带宽。在交换机那里排队的不是庞大的应用层报文，而是非常小的链路层数据分组，处理单个数据分组的时间非常短，和CPU的时间片是一个级别。这些快速通过的分组到了目的地后又快速组装，用户体验上就是大家都完整的独享了整个带宽。交换机和集线器在工作原理和功能上有显著的区别，主要体现在以下几个方面：
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1.数据传输方式
集线器：采用广播方式传输数据。当一个设备发送数据包给另一个设备时，集线器会将这个数据包复制并发送到所有其他端口，即使该数据包并不是为这些端口的设备准备的。这种方式会导致带宽浪费，并且可能引发安全问题。（不管是啥数据，给所有人都发一遍）
交换机：采用直通式或存储转发的方式智能地传输数据。它会记录每个端口连接的设备的MAC地址，当接收到数据包时，根据目标MAC地址直接将数据包发送到指定的端口，而不是广播到所有端口。这不仅提高了带宽使用效率，也增强了安全性。（谁的数据仅发给他一个人）
2.带宽使用
集线器：所有设备共享同一总带宽。例如，在10Mbps的集线器上连接的设备，如果多台设备同时通信，它们必须共享这10Mbps的带宽。
交换机：每个端口都有自己的专用带宽。例如，在10/100Mbps的交换机上，每个端口可以独立地以10Mbps或100Mbps的速度运行，不会因为其他端口的通信而受到影响。
3.冲突域与广播域
集线器：所有端口处于同一个冲突域中，这意味着所有设备之间的通信都会产生冲突，尤其是在网络流量大的时候。
交换机：每个端口都是一个独立的冲突域，减少了冲突的发生。但是，所有的端口仍然处于同一个广播域内，除非通过VLAN等技术来分割广播域。
4.智能功能
集线器：不具备学习能力，不能管理数据流，也不能提供额外的安全或管理功能。
交换机：具有学习能力，能够管理数据流，支持VLAN、QoS（服务质量）、端口镜像等多种高级功能，可以更好地管理和优化网络性能。
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交换机相比集线器提供了更高效的数据传输、更好的带宽利用、更低的网络冲突率以及更多的管理和安全功能。因此，在现代网络环境中，交换机已广泛取代了集线器。
