物理层

首先要强调指出，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。
物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

具体的物理层协议种类较多。
这是因为物理连接的方式很多(例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接)，而传输媒体的种类也非常之多(如架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线通道等)。

从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

(1) 单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型
(2) 双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
(3) 双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息

网络硬件

集线器

集线器一般是提供了多个 RJ-45 端口的机盒，就像下图所示的 NETGEAR 集线盒。
集线器从非常小的 4 端口的设备，到企业环境中安装机架设计的 48 端口机盒设备，变化很大。

因为集线器会产生很多不必要的网络流量，并仅在半双工模式下运行(不能在同一时间发送和接收数据)，所以通常不会在现代或高密度的网络中再看到它们的身影了(用交换来替代)。
然后，应该知道集线器的工作机制，因为它们对于数据包分析技术非常重要

一台集线器无非就是工作在 OSI 参考模型物理层上的转发设备。
它从一个端口接收到数据包，然后将数据包传输(中继)到设备的其他每个端口上。
例如，如果一台计算机连接到一个 4 端口集线器的 1 号端口上，需要发送数据到连接在 2 号端口的计算机，那么集线器将会把数据发送给端口 1、2、3、4.
连接到 3 号端口与 4 号端口上的客户端计算机通过检查以太网帧头字段中的目标媒体访问控制(MAC)地址，判断出这些数据包并不是给它们的，便丢弃这些数据包。

下图所示为从计算机 A 发送数据到计算机 B 的例子，当计算机 A 发送出数据时，所有连接到集线器的计算机都将接收到数据，但只有计算机 B 会实际接受数据，而其他计算机则将丢弃它

做一个比喻，假设你发送一封主题为“所有的营销人员请注意”的电子邮件给贵公司所有雇员，而不只是那些在营销部门工作的人。
市场营销部门的员工会知道这封邮件是给他们的，他们很可能会打开它，而其他员工将看到这封邮件并不是给他们的，则很可能会选择丢弃。
你可以看到这会导致很多不必要的通信和时间浪费，然而这正是集线器的工作原理。
在高密度的实际网络中，集线器最好的替代产品是交换机，它们是支持全双工的设备，可以同步地发送和接收数据

交换机

与集线器相同，交换机也是用来中继数据包的。
但与集线器不同的是，交换机并不是将数据广播到每一个端口，而是将数据发送到目的计算机所连接的端口上。

如同下图中看到的那样，交换机的外表与集线器没什么两样。

市场上几个大牌公司的交换机，比如思科品牌的，能够通过专业化的供应商特定软件或 Web 接口进行远程管理。
这些交换机通常被称为管理型交换机。
管理型交换机提供了多种在网络中非常有用的功能特性，包括启用或禁用特定端口、查看端口细节参数、远程修改配置、远程重启等。

交换机在涉及处理传输数据包时，还提供了一些先进的功能。
为了能够直接与一些特定设备进行通信，交换机必须能够通过 MAC 地址来唯一标识设备，这意味着它们必须工作在 OSI 参考模型的数据链路层上。

交换机将每个连接设备的第 2 层地址都存储在一个 CAM(Content Addressable Memory 即内存寻址寄存器)表中，CAM 表充当着一种类似交通警察的角色。
当一个数据包被传输时，交换机读取包中的第 2 层协议头部信息，并使用 CAM 表作为参考，决定往哪个或哪些端口发送数据包。
交换机仅仅将数据包发送到特定端口上，从而大大降低了网络流量。

下图说明了流量经过交换机进行传输的过程。

在这个图示中，计算机 A 发送数据到唯一的目标：计算机 B，虽然同一时间网络上可能会有很多会话，但信息将会直接通过交换机向目标接收者进行传输，而不会被传递到与交换机相连的所有计算机。

路由器

路由器是一种较交换机或集线器具有更高层次功能的先进网络设备。
一个路由器可以有许多种不同的形状和外形，但大多数路由器在前面板上会有几个 LED 指示灯，在背板上会有一些网络端口，个数取决于网络的大小。

下图为一款路由器的示例

路由器工作在 OSI 参考模型第 3 层(网络层)，它负责在两个或多个网络之间转发数据包。
路由器在网络间引导数据包流向的这一过程被称为路由。

几种不同类型的路由协议定义了不同目的的数据包如何被路由到其他网络。
路由器通常使用第 3 层地址(如 IP 地址)来唯一标识网络上的设备。

为了更清楚地解释路由的概念，我们以一个拥有几条街道的街区进行类比。
假设有一些房子，它们都有着自己的地址，就好比网络上的计算机一样，而每条街道就好比网段，如图所示。

从你所在街道上的某个房子，你可以很容易地与同一街道中居住的邻居进行沟通交流，这类似于交换机的操作，能够允许在同一网段中的所有计算机进行相互通信。
然而，与其他街道上居住的邻居进行沟通交流，就像是与不同网段中的计算机进行通信。

参照上图，假设你住在 Vine Street 503 号，需要到 Dogwood Lave 202 号。
如果想要过去，你必须先到 Oak Steer 上，然后再到 Dogwood Lave。
现在请对应到跨越网段的场景中，如果在 192.168.0.3 地址的设备需要和 192.168.0.54 地址的设备进行通信，它必须经由路由器到 10.100.1.1 网络上，然后再经过连接目的网络的路由器才可以到达目标网段上。

网络上路由器的数量与大小通常取决于网络的规模与功能。
个人和家庭办公网络可能只需要一个小型路由器，放置在网络的中心。
而大型企业网络则可能有几个路由器分布在不同的部门，都连接到一个大型的中央路由器或三层交换机上(具有内置功能，可以充当一台路由器的先进型交换机)

当你开始查看越来越多的网络图时，你会更加了解网络数据流是如何流经这些不同类型的网络设备节点，下图为路由网路中一个非常常见的布局格式。
在这个例子中，两个单独的网络通过一个路由器进行连接。
如果网络 A 上的计算机希望与网络 B 上的计算机进行通信，传输数据将必须通过路由器。