學習目標
- 理解常見網路設備的功能
- 掌握路由器、交換器、集線器等設備的差異
- 了解各設備在 OSI 模型中的層級
- 能夠判斷不同場景下應該使用哪種設備
1. OSI 模型回顧
1.1 OSI 七層模型
| 層級 | 名稱 | 功能 |
|---|---|---|
| 7 | 應用層 | 應用程式介面 |
| 6 | 表現層 | 資料格式轉換 |
| 5 | 會議層 | 建立和管理連線 |
| 4 | 傳輸層 | 端對端通訊 |
| 3 | 網路層 | 路由和定址 |
| 2 | 資料連結層 | 框架傳輸、錯誤偵測 |
| 1 | 實體層 | 實體傳輸 |
1.2 TCP/IP 模型
| 層級 | 名稱 | 對應 OSI |
|---|---|---|
| 4 | 應用層 | 5-7 |
| 3 | 傳輸層 | 4 |
| 2 | 網路層 | 3 |
| 1 | 資料連結層 | 2 |
| 0 | 實體層 | 1 |
2. 常見網路設備
2.1 集線器 (Hub)
定義
集線器是工作在實體層 (Layer 1) 的設備，用於連接多個網路裝置。
功能
- 訊號放大: 接收訊號並放大後轉發
- 廣播: 將收到的資料廣播到所有連接的埠
- 不處理資料: 不檢查資料內容，只是轉發訊號
運作方式
裝置 A 發送資料 → Hub → 廣播到所有埠 → 裝置 B, C, D 都收到
特點
- 半雙工: 同一時間只能單向傳輸
- 衝突域: 所有連接的裝置在同一個衝突域
- 廣播域: 所有連接的裝置在同一個廣播域
- 無智慧: 不進行任何決策
優點
- 簡單便宜
- 容易安裝
缺點
- 效率低（廣播所有資料）
- 安全性差（所有裝置都能收到資料）
- 容易產生衝突
- 已逐漸被交換器取代
2.2 交換器 (Switch)
定義
交換器是工作在資料連結層 (Layer 2) 的設備，根據 MAC 位址轉發資料。
功能
- MAC 位址學習: 學習每個埠連接的裝置 MAC 位址
- 選擇性轉發: 只將資料轉發到目標裝置所在的埠
- 衝突域隔離: 每個埠是獨立的衝突域
運作方式
1. 學習階段: 記錄每個埠對應的 MAC 位址
2. 轉發階段: 根據目標 MAC 位址選擇性轉發
3. 廣播未知: 如果不知道目標 MAC，則廣播
特點
- 全雙工: 可以同時雙向傳輸
- 衝突域隔離: 每個埠是獨立的衝突域
- 廣播域: 所有埠仍在同一個廣播域
- 有智慧: 根據 MAC 位址表進行決策
類型
1. 非管理型交換器 (Unmanaged Switch) - 即插即用 - 無需配置 - 適合小型網路
2. 管理型交換器 (Managed Switch) - 可以配置和管理 - 支援 VLAN、QoS 等功能 - 適合大型網路
優點
- 效率高（選擇性轉發）
- 安全性較好
- 減少衝突
- 提高網路效能
缺點
- 比集線器貴
- 配置可能較複雜（管理型）
2.3 路由器 (Router)
定義
路由器是工作在網路層 (Layer 3) 的設備，根據 IP 位址進行路由決策。
功能
- 路由選擇: 決定資料包的最佳路徑
- IP 位址處理: 根據 IP 位址轉發資料
- 網路隔離: 連接不同的網路
- 廣播域隔離: 每個介面是獨立的廣播域
運作方式
1. 接收資料包
2. 檢查目標 IP 位址
3. 查詢路由表
4. 決定轉發路徑
5. 轉發到下一跳路由器或目標網路
特點
- 網路層設備: 工作在 Layer 3
- 廣播域隔離: 每個介面是獨立的廣播域
- 路由決策: 根據路由表進行決策
- 網路連接: 連接不同的網路
優點
- 連接不同網路
- 提供最佳路徑選擇
- 網路隔離和安全性
- 支援複雜的路由協定
缺點
- 成本較高
- 配置複雜
- 處理速度可能較慢（需要檢查 IP 位址）
2.4 橋接器 (Bridge)
定義
橋接器是工作在資料連結層 (Layer 2) 的設備，用於連接兩個網路區段。
功能
- 框架過濾: 根據 MAC 位址過濾框架
- 衝突域隔離: 連接的區段是獨立的衝突域
- 學習功能: 學習 MAC 位址
特點
- 類似交換器，但通常只有兩個埠
- 已逐漸被交換器取代
2.5 閘道器 (Gateway)
定義
閘道器是工作在應用層 (Layer 7) 的設備，用於連接不同協定的網路。
功能
- 協定轉換: 在不同協定之間轉換
- 高層處理: 處理應用層的資料
應用
- 連接不同類型的網路（如 TCP/IP 和 SNA）
- 電子郵件閘道器
- 語音閘道器
3. 設備比較表
| 設備 | OSI 層級 | 依據 | 衝突域 | 廣播域 | 主要功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| 集線器 | Layer 1 | 無 | 共享 | 共享 | 訊號放大、廣播 |
| 交換器 | Layer 2 | MAC 位址 | 隔離 | 共享 | MAC 位址學習、選擇性轉發 |
| 路由器 | Layer 3 | IP 位址 | 隔離 | 隔離 | 路由選擇、網路連接 |
| 橋接器 | Layer 2 | MAC 位址 | 隔離 | 共享 | 框架過濾 |
| 閘道器 | Layer 7 | 應用協定 | 隔離 | 隔離 | 協定轉換 |
4. 選擇適當的設備
4.1 小型區域網路
場景: 家庭或小型辦公室
建議: - 使用交換器連接多台電腦 - 使用路由器連接網際網路
4.2 大型區域網路
場景: 企業內部網路
建議: - 核心層: 使用高階路由器 - 匯聚層: 使用管理型交換器 - 存取層: 使用交換器連接終端設備
4.3 網路擴展
場景: 需要連接多個網路區段
建議: - 使用路由器連接不同子網路 - 使用交換器擴展單一網路
4.4 效能優化
場景: 網路效能不佳
建議: - 用交換器取代集線器 - 使用路由器進行流量控制
5. 實際範例
5.1 範例 1: 家庭網路
網際網路
↓
路由器 (分配 IP、NAT)
↓
交換器 (連接多台設備)
↓
電腦、手機、平板等
5.2 範例 2: 企業網路
網際網路
↓
邊界路由器
↓
核心路由器
↓
管理型交換器 (VLAN)
↓
交換器
↓
終端設備
6. 練習題
練習題 1
請比較集線器、交換器和路由器的差異。
參考答案： - 集線器 (Layer 1): 工作在實體層，廣播所有資料，無智慧，效率低 - 交換器 (Layer 2): 工作在資料連結層，根據 MAC 位址選擇性轉發，隔離衝突域 - 路由器 (Layer 3): 工作在網路層，根據 IP 位址路由，隔離廣播域，連接不同網路
練習題 2
為什麼交換器比集線器更有效率？
參考答案： 交換器會學習每個埠連接的裝置 MAC 位址，只將資料轉發到目標裝置所在的埠，而不是像集線器那樣廣播到所有埠。這樣可以減少不必要的網路流量，提高效率，並提供更好的安全性。
練習題 3
在什麼情況下應該使用路由器而不是交換器？
參考答案： 當需要連接不同的網路（不同的 IP 子網路）、需要進行路由選擇、需要隔離廣播域、或需要連接網際網路時，應該使用路由器。如果只是在同一個網路內連接多台設備，使用交換器即可。
7. 考試重點提醒
- OSI 層級: 記住各設備工作的 OSI 層級
- 轉發依據: 理解各設備根據什麼進行轉發（集線器無、交換器 MAC、路由器 IP）
- 衝突域和廣播域: 理解各設備如何影響衝突域和廣播域
- 功能差異: 清楚區分各設備的主要功能
- 應用場景: 了解不同場景下應該使用哪種設備