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第一層（物理層）
我們常說(shuō)的路由器，是在第三層上。
網(wǎng)線有的是電腦連電腦，有的是電腦連網(wǎng)口。
對(duì)于電腦連電腦。這種方式就是一根網(wǎng)線，有兩個(gè)頭。一頭插在一臺(tái)電腦的網(wǎng)卡上，另一頭插在另一臺(tái)電腦的網(wǎng)卡上。水晶頭要做交叉線，用的就是1－3、2－6 交叉接法。
水晶頭的第 1、2 和第 3、6 腳，它們分別起著收、發(fā)信號(hào)的作用。將一端的 1 號(hào)和 3 號(hào)線、2 號(hào)和 6 號(hào)線互換一下位置，就能夠在物理層實(shí)現(xiàn)一端發(fā)送的信號(hào)，另一端能收到。
電腦連電腦，除了網(wǎng)線要交叉，還需要配置這兩臺(tái)電腦的 IP 地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。要想兩臺(tái)電腦能夠通信，這三項(xiàng)必須配置成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以一個(gè)是 192.168.0.1/24，另一個(gè)是 192.168.0.2/24，否則是不通的。
兩臺(tái)電腦之間的網(wǎng)絡(luò)包，包含 MAC 層，要完整。IP 層要封裝了 MAC 層才能將包放入物理層。
到此為止，兩臺(tái)電腦已經(jīng)構(gòu)成了一個(gè)最小的局域網(wǎng)，也即LAN。
怎么把三臺(tái)電腦連在一起呢？
使用集線器（Hub）。這種設(shè)備有多個(gè)口，可以將多臺(tái)電腦連接起來(lái)。但是，和交換機(jī)不同，集線器沒有大腦，它完全在物理層工作。它會(huì)將自己收到的每一個(gè)字節(jié)，都復(fù)制到其他端口上去。這是第一層物理層聯(lián)通的方案。
第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）
Hub 采取的是廣播的模式，如果每一臺(tái)電腦發(fā)出的包，每個(gè)電腦都能收到，這樣就會(huì)很麻煩。需要解決幾個(gè)問(wèn)題：
- 這個(gè)包是發(fā)給誰(shuí)的？誰(shuí)應(yīng)該接收？
- 大家都在發(fā)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生混亂？有沒有誰(shuí)先發(fā)、誰(shuí)后發(fā)的規(guī)則？
- 如果發(fā)送的時(shí)候出現(xiàn)了錯(cuò)誤，怎么辦？
解決的是上面第二個(gè)問(wèn)題
這幾個(gè)問(wèn)題，都是第二層，數(shù)據(jù)鏈路層，也即 MAC 層要解決的問(wèn)題。MAC的全稱是Medium Access Control，即媒體訪問(wèn)控制。就是控制在往媒體上發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，誰(shuí)先發(fā)、誰(shuí)后發(fā)的問(wèn)題。防止發(fā)生混亂。這解決的是上面第二個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題中的規(guī)則，學(xué)名叫多路訪問(wèn)。有很多算法可以解決這個(gè)問(wèn)題。比如接下來(lái)這三種方式：
方式一：分多個(gè)車道。每個(gè)車一個(gè)車道，你走你的，我走我的。這在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里叫作信道劃分；
方式二：今天單號(hào)出行，明天雙號(hào)出行，輪著來(lái)。這在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里叫作輪流協(xié)議；
方式三：不管三七二十一，有事兒先出門，發(fā)現(xiàn)特堵，就回去。錯(cuò)過(guò)高峰再出。叫作隨機(jī)接入?yún)f(xié)議。著名的以太網(wǎng)，用的就是這個(gè)方式。
解決的是上面第一個(gè)問(wèn)題
這里用到一個(gè)物理地址，叫作鏈路層地址。但是因?yàn)榈诙又饕鉀Q媒體接入控制的問(wèn)題，所以它常被稱為MAC 地址。
解決這個(gè)問(wèn)題就牽扯到第二層的網(wǎng)絡(luò)包格式。對(duì)于以太網(wǎng)，第二層的最開始，就是目標(biāo)的 MAC 地址和源的 MAC 地址。
接下來(lái)是類型，大部分的類型是 IP 數(shù)據(jù)包，然后 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等，這都是里層封裝的事情。
有了目標(biāo) MAC 地址，數(shù)據(jù)包在鏈路上廣播，MAC 的網(wǎng)卡才能發(fā)現(xiàn)，這個(gè)包是給它的。MAC 的網(wǎng)卡把包收進(jìn)來(lái)，然后打開 IP 包，發(fā)現(xiàn) IP 地址也是自己的，再打開 TCP 包，發(fā)現(xiàn)端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是監(jiān)聽 80。于是將請(qǐng)求提交給 nginx，nginx 返回一個(gè)網(wǎng)頁(yè)。然后將網(wǎng)頁(yè)需要發(fā)回請(qǐng)求的機(jī)器。然后層層封裝，最后到 MAC 層。因?yàn)閬?lái)的時(shí)候有源 MAC 地址，返回的時(shí)候，源 MAC 就變成了目標(biāo) MAC，再返給請(qǐng)求的機(jī)器。
解決的是上面第三個(gè)問(wèn)題
第二層的最后面是CRC，也就是循環(huán)冗余檢測(cè)。通過(guò) XOR 異或的算法，來(lái)計(jì)算整個(gè)包是否在發(fā)送的過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，主要解決發(fā)送錯(cuò)誤的問(wèn)題。
ARP 協(xié)議
一個(gè)廣播的網(wǎng)絡(luò)里面接入了 N 臺(tái)機(jī)器， 我怎么知道每個(gè) MAC 地址是誰(shuí)呢？這就是ARP 協(xié)議， 也就是已知 IP 地址， 求 MAC 地址的協(xié)議。
在一個(gè)局域網(wǎng)里面，當(dāng)知道了 IP 地址，不知道 MAC 怎么辦呢？靠“吼”。 DHCP也是靠“吼”，新接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器獲取分配的IP地址。
發(fā)送一個(gè)廣播包，誰(shuí)是這個(gè) IP 誰(shuí)來(lái)回答。具體詢問(wèn)和回答的報(bào)文如下：
為了避免每次都用 ARP 請(qǐng)求，機(jī)器本地也會(huì)進(jìn)行 ARP 緩存。由于機(jī)器存在不斷上線下線，IP 也可能會(huì)變，所以 ARP 的 MAC 地址緩存過(guò)一段時(shí)間就會(huì)過(guò)期。
交換機(jī)
這種使用HUB組網(wǎng)的方法，對(duì)少數(shù)電腦沒有問(wèn)題，但是一旦機(jī)器數(shù)目增多，問(wèn)題就出現(xiàn)了。Hub 是廣播的，不管某個(gè)接口是否需要，所有的 Bit 都會(huì)被發(fā)送出去，然后讓主機(jī)來(lái)判斷是不是需要。這種方式路上的車少就沒問(wèn)題，車一多，產(chǎn)生沖突的概率就提高了。而且把不需要的包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)去，純屬浪費(fèi)。
二層設(shè)備交換機(jī)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，會(huì)把 MAC頭拿下來(lái)， 檢查一下目標(biāo) MAC 地址， 然后根據(jù)策略轉(zhuǎn)發(fā)，而不是傻傻地都轉(zhuǎn)發(fā)。
交換機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)，知道每個(gè)口的電腦的 MAC 地址。
交換機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程
一臺(tái) MAC1 電腦將一個(gè)包發(fā)送給另一臺(tái) MAC2 電腦，當(dāng)這個(gè)包到達(dá)交換機(jī)的時(shí)候，一開始交換機(jī)也不知道 MAC2 的電腦在哪個(gè)口，所以沒辦法，它只能將包轉(zhuǎn)發(fā)給出了來(lái)的那個(gè)口之外的其他所有的口。但是，這個(gè)時(shí)候，交換機(jī)會(huì)記住，MAC1 是來(lái)自一個(gè)明確的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的，直接發(fā)送到這個(gè)口就可以了。
轉(zhuǎn)發(fā)表
過(guò)了一段時(shí)間之后，就有了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)結(jié)構(gòu)了，這個(gè)時(shí)候，基本上不用廣播了，全部可以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)。由于每個(gè)機(jī)器的 IP 地址會(huì)變，所在的口也會(huì)變，因而交換機(jī)上的學(xué)習(xí)的結(jié)果（轉(zhuǎn)發(fā)表），是有一個(gè)過(guò)期時(shí)間的。
小結(jié)
第一·， MAC 層是用來(lái)解決多路訪問(wèn)的堵車問(wèn)題的；
第二·， ARP 是通過(guò)吼的方式來(lái)尋找目標(biāo) MAC 地址的， 吼完之后記住一段時(shí)間， 這個(gè)叫作緩存；
第三， 交換機(jī)是有 MAC 地址學(xué)習(xí)能力的， 學(xué)完了它就知道誰(shuí)在哪兒了， 不用廣播了。
參考資料：
趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（極客時(shí)間）鏈接：
http://gk.link/a/106nW
GitHub鏈接：
https://github.com/lichangke/LeetCode
知乎個(gè)人首頁(yè)：
https://www.zhihu.com/people/lichangke/
簡(jiǎn)書個(gè)人首頁(yè)：
http://www.itdecent.cn/u/3e95c7555dc7
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