第 6 課

認識網絡小隊Hub(集線器)、Switch(交換器)、Router(路由器)與 Access Point(無線基地台)

家裡那個閃燈的盒子,究竟在做什麼?

帶路角色:八爪、路路閱讀時間約 10 分鐘

1. 漫畫開場

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漫畫文字版(畫面及對白)
格 畫面 對白
1 家用 Router 盒子裡探出八爪、路路和一支 Wi-Fi(無線網絡)天線。 字幕:「阿麥家那個閃燈的盒子,原來是一支小隊。」
小比:「原來裡面有這麼多人!」
八爪:「我管家裡的網線,路路管出門的路,天線管 Wi-Fi!」
2 八爪翻開筆記簿 MAC Address Table(MAC 位址表),只把 Frame(訊框)送進 Port(連接埠) 2。 字幕:「Switch(交換器)看 MAC Address(硬體位址),只把信送到正確的 Port(連接埠)。」
八爪:「收到!馬上送到正確的連接埠!」
3 阿麥拿著擴音器廣播;路路舉手回答自己的名牌。 字幕:「只知道 IP Address(網絡位址),不知道 MAC Address?用 ARP(位址解析協定)大叫一聲。」
阿麥:「誰是 192.168.1.1?請告訴我你的名牌!」
路路:「是我!我的名牌是 00:00:5E:00:53:FE。」
4 路路站在寫著 WAN(廣域網絡)的大門前,拿著地圖,小比背著收件人 192.0.2.80 的背包。 字幕:「要去其他網絡?交給 Router(路由器)。」
路路:「192.0.2.80 不在家裡,交給我!這邊走,這條路最快!」

2. 重點概念

網絡上有一支「小隊」,各有分工:

  • Hub(集線器):收到什麼都向所有人大叫一次,已經很少用。
  • Switch(交換器):看 MAC Address,在同一個 LAN(區域網絡)內把資料只送給正確的裝置。
  • Router(路由器):看 IP Address,把資料送到其他網絡。
  • Access Point(無線基地台):讓手機等裝置用 Wi-Fi 接上 LAN。

家裡那個閃燈的盒子,通常是以上幾樣合在一起。

3. 看深一點

想看動畫詳解? 網絡小故事 1. 八爪上班第一天:Switch(交換器)怎樣送貨、3. 誰是 192.168.1.11?ARP(位址解析協定)

小隊一覽

設備 看什麼 工作範圍 業界叫法 比喻
Hub(集線器) 什麼都不看 同一個 LAN Layer 1 設備 在課室大叫的人
Switch(交換器) MAC Address 同一個 LAN Layer 2(第二層)設備 八爪
Access Point(無線基地台) MAC Address 把 Wi-Fi 接上 LAN Layer 2 設備 會講無線電的八爪
Router(路由器) IP Address 不同網絡之間 Layer 3(第三層)設備 路路(郵局)

「Layer 1、2、3」是上一課 OSI Model(OSI 模型)的編號:Layer 1 是實體訊號,Layer 2 是 MAC Address 的世界,Layer 3 是 IP Address 的世界。

圖解:Hub、Switch、Access Point 和 Router 的工作比較,以及家用 Router 盒子裡面的四個角色

圖解:上半部比較四種設備:Hub 向所有 Port 轉發、Switch 只送到一個 Port、Access Point 連接無線與有線、Router 連接兩個網絡。下半部是家用 Router 盒子裡的分工。

Hub(集線器):八爪的前輩

Hub 是很早期的設備。它不會看收件人,收到一個訊號,就原封不動地向所有其他 Port 發出去。

問題是:大家共用同一條「線」。如果兩部電腦同時說話,訊號就會撞在一起,這叫 Collision(碰撞),雙方都要等一會再重傳。裝置越多,碰撞越多,網絡就越慢。

今天 Hub 已經差不多完全被 Switch 取代。

Switch(交換器):八爪的筆記簿

Switch 有很多個 Port(連接埠),每個 Port 接一部裝置。它有一本筆記簿,叫 MAC Address Table(MAC 位址表),記錄「哪個 MAC Address 在哪個 Port」。

阿麥家中的 Switch 筆記簿可能是這樣的:

Port MAC Address 是誰
1 00:00:5E:00:53:01 阿麥的電腦(192.168.1.10)
2 00:00:5E:00:53:02 家中另一部裝置(192.168.1.11)
5 00:00:5E:00:53:FE 路路,即家中 Router(192.168.1.1)

八爪收到一個 Frame(訊框)時:

  1. 先學習:看寄件人 MAC Address,記下「這個名牌在這個 Port」。
  2. 再送貨:看收件人 MAC Address,查筆記簿。
    • 找到 → 只送到那一個 Port。
    • 找不到,或者收件人是 Broadcast Address(廣播位址)FF:FF:FF:FF:FF:FF → 送到除了來源以外的所有 Port。

Switch 開機時筆記簿是空白的,它不用人手設定,一邊送貨一邊學習。

Access Point(無線基地台):沒有網線的 Port

手機和平板電腦沒有網線插口,它們靠 Wi-Fi(無線網絡)上網。Access Point 就是把無線電訊號和有線 LAN 接駁起來的設備,你在手機看到的 Wi-Fi 名字,叫 SSID(無線網絡名稱)。

Access Point 和 Switch 一樣看 MAC Address,工作範圍也是同一個 LAN。所以用 Wi-Fi 的手機和插網線的電腦,可以在同一個 Subnet(子網絡)裡,例如都在 192.168.1.0/24。

Router(路由器):路路的地圖

Router 站在兩個或以上的網絡之間。它每個介面各屬一個網絡,所以有幾個 IP Address。

它有一張地圖,叫 Routing Table(路由表),記錄「去哪個網絡,下一站交給誰」。家中 Router 的地圖很簡單:

目的地網絡 怎樣送
192.168.1.0/24(家中 LAN) 直接由 LAN 那邊送出
其他所有地方(0.0.0.0/0) 由 WAN 那邊交給 ISP(互聯網服務供應商)的 Router 203.0.113.254

0.0.0.0/0 的意思是「任何位址」,這一行叫 Default Route(預設路由):地圖上找不到更準確的路,就走這一條。

Router 還有兩個特點:

  • 它不會把 Broadcast(廣播)送到其他網絡,所以廣播只會留在自己的 LAN。
  • 它每轉送一次封包,就把 TTL(存活時間)減 1。

ARP(位址解析協定):由 IP Address 找 MAC Address

阿麥要送資料時,只知道對方的 IP Address,但 Frame 上要寫 MAC Address。怎麼辦?

ARP(位址解析協定)就是在 LAN 裡大叫一聲:

  1. 阿麥廣播:「誰是 192.168.1.1?請告訴 192.168.1.10。」(收件人 FF:FF:FF:FF:FF:FF)
  2. LAN 內每部裝置都收到,但只有 192.168.1.1(路路)回覆:「是我,我的 MAC Address 是 00:00:5E:00:53:FE。」(這次直接回覆阿麥,不用廣播)
  3. 阿麥把答案記在 ARP Cache(ARP 快取)裡,下次不用再問。

留意:如果對方在其他網絡(例如 example.com 的 192.0.2.80),阿麥不會 ARP 問 192.0.2.80,因為對方不在 LAN 裡,根本聽不到。阿麥會 ARP 問 Default Gateway(預設閘道)192.168.1.1 的 MAC Address,把 Frame 交給路路。

圖解:ARP 的兩個步驟:阿麥廣播問誰是 192.168.1.1,路路單獨回覆自己的 MAC Address

圖解:第 1 步,阿麥向整個 LAN 廣播 ARP 問題;第 2 步,只有路路用 Unicast(單播)回覆,阿麥把答案記進 ARP Cache。

家中那個閃燈的盒子

你家中那部「Wi-Fi 路由器」,其實是幾部設備合成一部:

盒子裡的角色 負責
Router(路由器) 連接家中 LAN 和互聯網
Switch(交換器) 盒子背後幾個 LAN 網線插口
Access Point(無線基地台) 發出 Wi-Fi 訊號
DHCP(動態主機設定協定)伺服器、NAT(網絡位址轉換) 派位址、共用 Public IP(公共位址)(第 8 課)

盒子背後通常有一個顏色不同、寫著 WAN 或 Internet 的插口,接去 ISP;其他寫著 LAN 或 1、2、3、4 的插口,就是內置 Switch 的 Port。

4. 動手試試

任務一:看看家中的盒子

  1. 找到家中的 Router(通常在電視機旁邊或門口附近)。
  2. 看看背後的插口:哪一個是 WAN(或 Internet)?有幾多個 LAN 插口?
  3. 看看盒子底部的標籤,通常印著 Wi-Fi 名字(SSID)和 MAC Address。

安全提示: 標籤上的 Wi-Fi 密碼和管理員密碼,不要拍照貼上網。

任務二:偷看你電腦的 ARP Cache(ARP 快取)

系統 步驟
Windows 打開「命令提示字元」,輸入 arp -a
macOS 打開「終端機」,輸入 arp -a

你會見到一張表,左邊是 IP Address,右邊是 MAC Address。找一找你的 Default Gateway(上一課抄下的位址),看看它的 MAC Address 是什麼。

手機一般不能直接查看 ARP Cache,這個任務要用電腦。

小互動

這是誰的工作?

把以下六張卡分給正確的設備:

  1. 1看 MAC Address,只把 Frame 送到一個 Port

  2. 2收到訊號就向所有 Port 大叫一次

  3. 3看 IP Address,把封包送到其他網絡

  4. 4讓手機用 Wi-Fi 接上 LAN

  5. 5查 Routing Table(路由表)決定下一站

  6. 6一邊送貨,一邊把寄件人的 MAC Address 記進筆記簿

5. 比喻的極限

  • 八爪不是一部電腦在「想」。 Switch 查表和轉發是由專門的晶片完成,非常快,一秒可以處理數以百萬計的 Frame。
  • 家用盒子和專業設備不同。 學校和公司通常把 Router、Switch、Access Point 分開成獨立的設備,數目也多很多。
  • Router 的地圖不一定是人手畫的。 家中 Router 的地圖很簡單;互聯網上的大型 Router 會互相交換情報,自動更新地圖(網絡小故事 13)。
  • ARP 只用於 IPv4。 IPv6 用另一個叫 Neighbor Discovery(鄰居發現)的方法做同樣的事。
  • 「Layer 2」、「Layer 3」的界線不是絕對的。 有些 Switch 也能做 Router 的工作,叫 Layer 3 Switch。

6. 小測驗

第 1 題,共 3 題Switch(交換器)靠什麼決定把 Frame 送到哪一個 Port(連接埠)?
第 2 題,共 3 題阿麥(192.168.1.10,/24)想送資料給 192.0.2.80。他會用 ARP(位址解析協定)找誰的 MAC Address?
第 3 題,共 3 題家中 Router 的 Routing Table(路由表)裡,0.0.0.0/0 這一行代表什麼?

7. 重點筆記

  • Hub(集線器)向所有 Port 轉發,會產生 Collision(碰撞),已經被淘汰。
  • Switch(交換器)看 MAC Address,用 MAC Address Table 在同一個 LAN 內送貨,並且會自動學習。
  • Access Point(無線基地台)讓 Wi-Fi 裝置接上 LAN;Router(路由器)看 IP Address,用 Routing Table 在不同網絡之間轉送。
  • ARP(位址解析協定)用廣播問「誰是這個 IP Address?」,找出對方的 MAC Address;要去其他網絡時,就找 Default Gateway 的 MAC Address。
  • 家中的「Wi-Fi 路由器」是 Router、Switch、Access Point 等合成一部的盒子。

下一站

路路只懂看 IP Address。但你上網時打的是 example.com,不是一串數字。誰幫你把名字變成位址?