集線器、橋接器，與那台會學習的交換器

同樣的外形，三種腦袋

上一篇我們認識了乙太網路與它的訊框——一個小信封，蓋上了來源與目的的 MAC 位址，也就是網路卡在出廠時燒進去的那組 48 位元名字。訊框知道自己要寄給誰，卻無法自己送達；中間總得有個東西，把它從抵達的那條線挪到能觸及目標的那條線。這個東西經歷了三個世代：集線器、橋接器 與 交換器。從外面看它們一模一樣——一個插滿連接埠、可以插網路線的盒子——但每一個裡頭的腦袋天差地別，而這份差別，正是現代區域網路如何變快、變安靜的整個故事。

先從集線器說起，這是最簡單的腦袋——其實根本沒腦袋。集線器是一台多埠中繼器：抵達任一連接埠的每一個位元，都被盲目地立刻複製到其他每一個連接埠，它根本不知道什麼是訊框或位址。它純粹在實體層工作，到處推送電氣訊號。把八台電腦插進一台八埠集線器，它的行為就完全像一條所有八台都夾在上面的長共用線。當電腦 A 送一個訊框給電腦 B，集線器並不是只送給 B；它也對著 C、D、E、F、G、H 一起喊。每個人都聽見每件事，而每個人的網路卡都得檢查目的位址，把不是寄給自己的訊框默默丟掉。

橋接器：一道有聰明門的牆

第一份真正的智慧，隨橋接器而來。經典橋接器只有兩個連接埠，坐在兩段以集線器相連的網段之間，像兩個房間之間的一道門。不同於集線器，它不是在原始電氣層工作；它讀取每一整個訊框，看位址，然後判斷這訊框到底需不需要過門。如果 A 和 B 在同一個房間（同一網段），它們的對話就留在那個房間裡——橋接器把門對它關著，於是另一個房間的人就有發話時間能彼此交談。只有真正要去對側的訊框才被搬過去。剎那間，每個網段都成了自己的碰撞網域，一邊熱鬧的閒聊不再從另一邊偷走發話時間。

橋接器怎麼知道哪些訊框該放行、哪些該攔住？它並沒有預先寫好一張誰住哪裡的地圖——那根本無從維護。它是靠學習，而且是靠觀察來學。這一個小把戲——看每一個抵達訊框的來源位址，並記住它是從哪個連接埠進來的——就是現代交換器一切作為的種子。橋接器其實就是只有兩個連接埠的交換器；當你把這個會學習的腦袋裝上許多連接埠與非常快的硬體，得到的就是交換器。

交換器如何學會每個人坐在哪裡

把交換器想成大樓櫃台的接待員，上班第一天誰都不認得。她唯一的工具是一本空白筆記本——MAC 位址表，也叫轉送表——以及一個鐵打的習慣：每當一個訊框經過她的櫃台，她就讀它的回郵位址（來源 MAC），記下它是從哪扇門（哪個連接埠）進來的。光是這個習慣就叫做 MAC 學習，它完全靠正常流量把筆記本填滿，沒有人需要設定任何東西。這張表只是一串配對：這個 MAC 位址住在這個連接埠後面。

一個訊框從某連接埠抵達。交換器讀它的「來源」MAC，記下「這個位址可由這個連接埠抵達」——並刷新一個計時器，好讓某裝置安靜下來或搬走後，過時的條目終究會逾時消失。
接著交換器看這個訊框的「目的」MAC，到表裡查它。
如果目的在表裡，它就只把訊框從那一個連接埠送出去。這正是重點：一次私下投遞，而不是大喊。
如果目的還不認得（或本身就是廣播位址），它就把訊框從除了進來那個以外的每個連接埠淹送出去——這是一次性的後備手段，讓學習趕上之前仍能送達。
當回覆送回來，它的來源 MAC 也教會交換器那台裝置坐在哪裡——於是從第二次往來起便能精準投遞，不再淹送。

MAC address table (after a little traffic):

   MAC address        Port
   AA:AA:...:01       1      (host A)
   BB:BB:...:02       3      (host B)
   CC:CC:...:03       5      (host C)

  Frame  A -> B  : dest BB..02 is known -> send out PORT 3 only
  Frame  A -> Z  : dest unknown         -> FLOOD to ports 2,3,4,5,...
  Frame  A -> ff:ff:ff:ff:ff:ff (broadcast) -> FLOOD to all but port 1

交換器靠它看見的來源位址自行填好這張表。已知目的＝只送往一個連接埠；未知或廣播＝淹送到其餘所有連接埠。

為什麼交換器讓區域網路又快又安靜

因為交換器把每個訊框只送到一個連接埠，每個連接埠就成了自己私有的碰撞網域。每個連接埠各插一台電腦，那條連結就不與任何人共享——於是兩台裝置互相弄亂的老煩惱，乾脆消失了。這解鎖了全雙工運作：裝置可以在網路線裡兩對分開的線上同時收與發，就像一通雙方都能同時說話的電話，而不是老式半雙工對講機那種要輪流、開口前要先聽的規則。一條 1 Gbps 全雙工連結能同時雙向各跑 1 Gbps。半雙工與它那套碰撞偵測的舞步，如今是個歷史的稀奇玩意，多半只在交換器退回去和古董設備對話時才看得到。

這裡有個常絆倒人的誠實限制，而下一篇會狠狠用到它。交換器把一張區域網路切成許多分開的碰撞網域——但它「不會」拆開廣播網域。當一個訊框被定址到廣播位址（全為 1，ff:ff:ff:ff:ff:ff），交換器照設計就把它淹送到每個地方，與它相連的所有交換器也照辦；一個廣播會抵達整張交換網路裡的每一台裝置。這有時正是你要的——這正是一位新成員在任何私下對話開始之前，喊出「誰有這個位址？」的方式——但它意味著一張交換式區域網路對廣播而言，仍是一整片共享的大社區。要拆開廣播網域，得靠路由器或 VLAN，那正是接下來兩篇的主題。

迴圈、主幹，與綁成一束的纜線

交換器讓你能藉由一台台串接來搭建大型網路，但這份自由藏著陷阱。如果兩台交換器之間有兩條路徑——比方有人加了一條備援線——一個被淹送的廣播就可能永遠繞圈：交換器 X 把它淹給交換器 Y，Y 又淹回 X，繞了一圈又一圈，每繞一圈就加倍，直到網路被淹沒。乙太網路訊框上沒有「存活時間」欄位能阻止它，於是生成樹協定（STP）登場。交換器們彼此通報、議定出一棵單一且無迴圈的活躍連結之樹，並刻意關掉多餘的連結，使任兩點之間恰好只存在一條路徑。如果某條活躍連結故障，STP 會察覺並把一條待命連結重新打開——於是你保有備援線的安全，卻沒有迴圈帶來的災難。

還有兩項交換器的超能力把整幅圖補齊，這裡先預告、之後再展開。第一，單一實體交換器可以切成數個彼此隔離的虛擬區域網路，也就是 VLAN——住在同一個盒子裡的分開廣播網域，於是財務與訪客就算共用硬體，也永遠看不見彼此的廣播。要在交換器之間的單一纜線上承載多個 VLAN，這條連結就成為使用 802.1Q 標籤的主幹：每個訊框被插入一個小小的 VLAN 標籤，好讓對側交換器知道它屬於哪個 VLAN。第二，當交換器之間一條連結不夠用時，鏈路聚合把數條實體連結綁成一條邏輯管道——總吞吐量更大，且一條線壞掉時自動切換。下一篇會把迴圈與廣播網域講得更深，再下一篇則整篇都在談 VLAN。

讓加入網路毫不費力的兩個幫手

交換器在 MAC 位址之間搬動訊框，但你電腦上的軟體想的是 IP 位址，不是 MAC。所以在主機 A 能把訊框送給同一張區域網路上的主機 B 之前，它得先回答一個問題：我知道 B 的 IP 位址——那 B 的 MAC 位址是什麼？這正是位址解析協定（ARP）的工作。A 對整張區域網路廣播一個小小的問題——「誰有 IP 192.168.1.20？告訴我你的 MAC」——交換器把它淹送出去，只有那個 IP 的擁有者用自己的 MAC 回答，而 A 把這組配對快取起來，好讓它一段時間內不必再問。注意這正是為什麼即使在聰明的交換式網路上，廣播仍然重要：第一聲招呼必須是大喊，因為還沒有人知道這位陌生人坐在哪裡。

在那之前還有個雞生蛋的難題：當你插上線或加入 Wi-Fi，你的裝置一開始根本沒有 IP 位址，所以還無法送出一般流量。動態主機設定協定（DHCP）解決了這件事，又一次倚賴廣播。新成員對整張區域網路喊出一個請求；一台 DHCP 伺服器聽見，提供一份租約——一個 IP 位址、子網路遮罩、預設閘道（通往更廣世界的路由器），以及 DNS 伺服器位址——全打包在一起，有期限地租給你。這就是為什麼連上咖啡店網路你什麼都不必打就能用：ARP 與 DHCP，都建立在交換器忠實淹送的廣播之上，悄悄把你的裝置開口交談所需的一切交到它手上。本階最後一篇會一步一步走過完整的加入網路流程。