随着技术的演化，集线器现在应该基本不用了，而交换机和路由器的界限可能渐渐模糊了，包括说路由器也可以内置交换机的功能。所以我们这里更多说的是一种概念上的交换机和路由器。也就是说，此处交换机代表的是一种以太网内部的传输设备，路由器代表的是一种互联网传输的设备。
此外我们要了解两个事情：
每个包都是独立转发的。每个包在传输到目的地的过程都是独立的，相互之间没有关联。
转发设备在转发包时并不会看数据内容，也就是HTTP请求方法、或者TCP确认响应，这个包来自客户端还是服务器等等，都与包的传输无关。
我们先看一下包是如何通过交换机的。下图是交换机的结构和原理示意图。
首先从结构图里我们可以看到，交换机它也有MAC, PHY这些模块，他们会将传过来的信号转换为数字信息，然后通过包末尾的FCS校验错误，没有错误就放在内存的缓存区中。
然后交换机会根据自己的MAC地址表进行转发。那这个MAC地址表是怎么来的，怎么维护的呢？
主要有两种：一种是如果连接在此交换机上的某个设备发送过网络包，它的MAC地址就会被记录到地址表中。另一种是为了防止网络中设备的增减、移动。会定时删除地址中的记录。比如我们开会的时候，把电脑从工会拿到了另一栋楼的会议室之类的动作，我们电脑所处的网络可能就发生了变化。这时候原网络的交换机就会定时删除掉这些信息。
因此当一个包存入缓存区后，交换机就会查询自己的MAC地址表，看应该转发到哪个端口上。而如果说在MAC地址表上找不到指定的MAC地址（可能因为这个连接的设备还没发送过包，或者一段时间没工作被删除了），那交换机就会把包转发到除了源端口之外的所有端口上，然后目标设备收到了就会做出响应，交换机就会相应地去更新地址表了。
最后可以看一下交换机转发的方式：
这是一个交换电路，将输入端和输出端连接起来。其中每个交叉点有一个交换开关，交换开关是电子控制的，通过切换开关的状态就可以改变信号的流向。假设我们要把2号端口的包转发到7号端口，那就把将左起的6个开关水平导通，而将第7个开关切换为垂直导通。包就可以转发到7号端口了。
（所以可见从硬件层去做转发是非常快的）
那么网络包经由交换机的传输后，现在到达了路由器，并且要被转发到下一个路由器。
大体上说，路由器也是收到包，然后查询自己的路由表，然后转发到对应的端口。路由器会将接受到的网络包的接收方IP地址与路由表中的目标地址进行比较，找到记录后将包转发到对应的接口。
路由器和交换机一个最大的不同在于对地址表（路由表）的维护。交换机需要掌握的信息比较少，就是他所在的以太网的那些机器就够了（也许几个，几十个，几百个）。但路由器需要掌握的信息是海量的，是整个互联网。所以他们维护地址表的方式肯定也不一样，交换机的维护表的方式是无法满足路由器的需求的。那路由器的路由表是怎么维护的呢？我们下面就来看一下。
这本质上是一个大型分布式网络的CAP问题。我们从最简单直观的想法开始，看怎么一步步完善我们的设计。
我们先不去考虑任何性能的损耗、优化什么的，只要能达到目的：把消息送到我们的目的地。有什么办法呢？让我们从生活中找找灵感。
我们知道往往流言蜚语的传播能力是最强的，为什么呢？究其本质，是因为中间有一大波对这类内容感兴趣的“节点”，会拿着这个消息逢人就说。然后谣言也就越传越广，最后往往还能传回到当事人耳朵里。绝对是无差别传播。
所以第一种方法就是：让网络中的每个节点在收到包后向所有它的直连节点转发。
这种方法的坏处很明显：网络负担很重，因为要转发的包数量非常多。尤其在网络拓扑中，环路是非常常见的，那么这种方式就会导致包在环路中一直打转。因此进而引进了包的TTL信息，每经过一个节点就减1，为0则被抛弃，以防止陷入死循环。
但它也有它的好处，好处就是可达性非常强。无论这个网络怎么变化，线路怎么被破坏，但凡还有一条通路，消息都能被传过去。因此在对可达性要求很高比如军事场景下，会使用这种方式。
OK,那我们用了泛洪法，很好，每条消息都确实能到达我们的目的地了。
但是呢，渐渐地，时过境迁，全球经济陷入了衰退周期，单边主义盛行，世界最大的经济体由合作转为对抗，局部地区还有战争爆发，在一个旧秩序可能瓦解、新秩序可能建立的时代浪潮里，投资者不投钱了，经营者也就囊中羞涩，需要缩减预算，开源节流。那我们就不能再用这种泛洪法了，得想个办法减少成本。
那怎么办呢？那我们就不能再往每个直连节点都传播了，我们要去做一些筛选，找到最划算的路径。
那么首先，我们得对“划算”下一个定义，就得有计量标准，比如R2到R3的线路网速是1MB/S，而R2到R4的网速是10MB/S，那后者的花费就是1，前者是10。这里我们方便起见，假设每条链路花费都是1。然后我们希望每次到目标节点都是选的可选路径里花费最低的一条。那我们需要一些方法来计算一个图中A点到B点的最短路径。这个已经有了一个叫Dijkstra算法，可以计算出这个最短路径。最后我们有了汇集了所有最短路径的路由表后，将它分发给这个网络里的每个节点，包就可以根据路由表选出最划算的下一条节点了。
经过这种方案优化后，我们的花费大大降低了，但它也带来了一些新的问题：那就是很不灵活，一旦说网络的拓扑结构发生变化后（比如节点的增减，链路的故障等等），都要用Dijksrta算法重新计算一遍，再由网络管理员重新下发到各个节点更新路由表。所以如果网络结构比较稳定，那还好，但如果是比较复杂、经常发生状况的网络，这种方案就有点力不从心了。因此为了提高的它的灵活性和健壮性，我们还需要给它增加一些动态的元素，让他对于网络的变化有自适应的能力。
怎么增加呢。最直观的方法就是我们增加一个控制中心，定时计算最短路径，然后下发到网络中的节点上。通过这种方式，控制中心取代了网络管理员的角色，将分发这个动作变得自动化了，这样确实是更灵活了，但是也带来了隐患：就是这个系统非常依赖控制中心，万一控制中心出了什么问题，整个系统就可能面临瘫痪。当然我们可以做双机备份，但那又会带来数据一致性之类这样的新问题。
既然中心结构无法令我们满意，我们就来看看扁平结构的思路是否可行。
扁平结构要怎么做呢？要将一个组织架构从中心结构转为扁平结构，我们需要把集中在中心的权力分散到组织里的每个节点手上。所谓群策群力，自下而上的改革背后也是这个道理
（《国际歌》 唐朝乐队）
回到路由器的话题上。原先我们是一个控制中心告诉所有节点路由表，转变为由每个节点自己去探索、生成自己的路由表。
首先我们再路由表结构中增加源节点和距离两个信息。
然后比如R5向站点C发送一个包，这个包走的路径是R5-R3-R4-R8-R11-站点C。其中每走一步，距离就增加1。那么此时经过R8的时候，R8就知道了，从R4调过来，源节点为R5的花费是3，那么它记下来这个信息。
过了一会儿，又来了一个包，这个包走的路径是R5-R3-R8-R11-站点C。这时候R8一比较，发现源节点为R5，下一跳是R3的路径花费是2，比3小，那就更新自己的路由表。之后R8向R5发送数据的时候，就会选择R3而不是R4
以此类推，一段时间后，每个节点就都会学习到自己到其他节点的最优路径了。
这种方案就具备一定的自适应能力了，比如后来R2和R6之间新架设了一条链路。很快R6会发现从R2过来的距离是2，比从R4过来更短，他就会去更新自己的路由表，学习到这条新路径。但是面对链路的崩溃，它的局限性就暴露了：比如前面R8已经学习到到R2的最短路径是2（R8-R3-R2），但是R3-R2的链路崩溃后，实际上走R3就需要通过R4绕行到R2，增大了花费。但是由于网络中其他路径都大于等于2，所以一直无法更新R8的这条记录。这个错误的信息也就一直存在于R8的路由表内。
到目前为止，我们的方案虽然已经在不断优化，但其实缺陷都比较明显，因此都没有得到广泛的使用。最后真正流行在网络世界中的是另外两个方案：RIP，以及后来替代RIP的OSPF。
RIP方案和逆向学习方案其实都是让节点去自学习路由表，但是学习策略做了改变。怎么改呢？我们看上面提到的逆向学习，它的问题在于什么？他的问题在于在学习过程中落入了惯性思维的陷阱，被困在了知识茧房中。最终成了刻舟求剑。而RIP则采用了定时广播绕开了这个陷阱。我们看下RIP的过程：
一开始，每个节点把自己的直连节点距离设置为1。
每个节点每隔30秒向相邻的节点广播自己的路由表。同时每个节点结合别的节点广播的路由表来更新自己的路由表。比如下图中R2收到R1的广播后，就知道自己到R5的距离是2，并将这个信息添加到自己的路由表中。
就这样，在每个路由节点经过若干次向直连节点广播路由表后，整个网络中所有节点都获得了最优路径的路由表。用学术术语来说就是收敛了。
RIP方案具备了更强的自适应能力，但是它对于一些链路故障也会无能为力或者出现慢收敛。下面举个例子。
在这样一个网络中，加入R1和R2的线路断了，通过广播，R1和R2很快发现彼此是不可达的。但是接下来R2和R3在广播中，双方不断地认为对方藏了点不为人知的好东西，于是开启互吹模式，导致双方到彼此的距离不断膨胀，就出现了“无穷计数现象”。为了解决这个问题（或者说改善这个问题），RIP会选择一个数作为无穷大，一般来说是16。到了这个数就认为目标节点是不可达的。后面为了进一步优化，提出了类似水平分割和触发更新之类的改良方案，但是都没能完全解决问题。
最后取代RIP方案的是OSPF方案。OSPF的流程比RIP复杂很多，但是也非常强大。我们来看下它是怎么做的。
Step1: 首先每个节点会每隔10秒向自己的直连节点发送消息以发现自己的邻居并确定连通情况。如果一个节点连续4次没有响应则认为此链路不可用。
Step2: 每个节点和它的可达链路就形成了一个LSA(link statement advertisement),并把它存入到自己的数据库中
Step3: 邻居之间互相交换数据库信息并进行对比、填充，达到一致后，关系晋升为邻接关系。值得注意的是，当节点收到一个有效的LSA的时候，会把这个LSA以泛洪的方式发给和它形成“领接”关系的节点。比如在图中，R2收到R3的LSA的时候，会把它发送给R1。但如果说此时R1的数据库里已经有了这个LSA了，就不会继续泛洪，以此来避免环路振荡的问题。
Step4: 不断重复Step3，最后所有节点数据库中都获得了所有节点的LSA。那么此时每个节点都能靠自己复原出整个网络的全貌。接下来当然就可以计算自己到任何一个节点的最佳路径了。（这样也就自然可以避开前面诸多方案头疼的环路问题）。
在OSPF的方案下，当某个节点发生变化（节点故障，链路增减等等），它或者它的邻居可以通过检测得知某个LSA已经改变，就会泛洪到自己的邻接节点，接下来整个网络上的各个节点就会很快更新并重新达到一致。
OSPF取代RIP后，屹立几十年，经久不衰，到今天依然是流行的路由协议。
最后需要补充说明的是：虽然一路以来一直在以迭代的方式在说各种方案，但俗话说：尺有所短，寸有所长。固然OSPF是当下最流行的路由协议，其他协议也都有各自擅长的场景。比如AS（自治体，巨大网络）之间会采用BGP， 家用路由器可能用的RIP，军事网络可能用的是泛洪法等等，在今天依然有他们自己的使用场景，不可一概而论。
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