電子發(fā)燒友App
所謂換個角度，就是從三層物理設備（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層）開始，串聯(lián)起整個網(wǎng)絡的工作原理
可能有些小伙伴看見物理設備天生就犯困，反手就準備關閉文章，且慢！本文只是簡單的介紹這幾個設備的功能，并不會涉及復雜的底層硬件原理，不一定嚴謹，并且摒棄了很多細節(jié)，但讀起來一定通俗易懂，幫助你迅速搭建起計網(wǎng)的知識框架。
什么是數(shù)據(jù)？
首先我們需要知道，網(wǎng)絡上傳輸?shù)臇|西是什么？所謂數(shù)據(jù)，什么是數(shù)據(jù)
假設你要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是 name = "小牛肉"，那么經(jīng)過從應用層開始經(jīng)過層層封裝，到達物理層進行傳輸?shù)臅r候，你的數(shù)據(jù)已經(jīng)被封裝進了很多東西：
首部里面具體是什么，不是本文的重點，你只需要知道其中有這么幾個字段很重要：
源 IP 地址
源 MAC 地址
目標 IP 地址
目標 MAC 地址
每一臺計算機都有自己的 IP 地址和 MAC 地址。
物理層設備：集線器
假設一個網(wǎng)絡上有 A B C D E 五臺計算機，A 想要給 C 發(fā)送數(shù)據(jù)包，那么數(shù)據(jù)包被發(fā)送出來后它怎么知道 C 在哪里？
古老的物理層設備 “集線器” 出現(xiàn)了
A 通過集線器給 C 發(fā)送消息
如上圖所示，集線器上面有若干個端口，每個端口都連著一臺計算機，假設 A 計算機對應端口 1， B 計算機對應端口 3，C 計算機對應端口 7......
那么 A 想要給 C 發(fā)送消息，消息要經(jīng)過誰？沒錯，首先要經(jīng)過集線器
集線器不是很聰明，他其實也不知道 C 到底在哪里，所以他會將 A 的消息廣播給所有的計算機，由各個計算機自己判斷是不是發(fā)送給自己的消息。
數(shù)據(jù)鏈路層設備：交換機
雖然集線器確實有用，但也導致了消息爆炸，原來我只要發(fā)給計算機 B 的消息，現(xiàn)在卻要發(fā)給連接到集線器上的所有計算機，這樣無論是從經(jīng)濟還是效率上來說都不是一個很好的選擇。如果把這個集線器弄得更智能一些，只發(fā)給目標計算機就好了。
既然只發(fā)送給一個計算機，那我們首先需要唯一定位這個計算機。
通過什么來定位？發(fā)送出來的數(shù)據(jù)包中其實已經(jīng)封裝好了，就是通過目標計算機的 MAC 地址來進行唯一定位。
A 通過交換機給 C 發(fā)送消息
那具體是怎么做到的呢？
事實上，交換機內(nèi)部維護一張 【MAC 地址表】，記錄著每一個 MAC 地址的設備，連接在哪一個端口上。
如果發(fā)來的包首部中包含的目標 MAC 地址在 MAC 地址表中沒有映射關系，交換機就將此包廣播給所有端口，也即發(fā)給了所有機器；
如果地址表有映射，那就只發(fā)給那一個端口
比如 A 想要給 C 發(fā)送消息，一開始交換機的 MAC 地址表是空的，交換機并不知道 C 的端口號，因此 A 發(fā)送的消息將會被廣播，同時，A 的 MAC 地址和它對應的端口號會被記錄到 MAC 地址表中。
A 通過交換機給 C 發(fā)送消息，此時 MAC 地址表為空
這樣，C 對 A 的消息進行響應的時候，交換機就不需要進行廣播消息了，因此它已經(jīng)知道 A 計算機在哪個端口了，并且同樣的，C 的 MAC 地址和它對應的端口號會被記錄到交換機的 MAC 地址表中。
C 通過交換機給 A 發(fā)送消息，此時 MAC 地址表中含有 A 的信息
網(wǎng)絡層設備：路由器
交換機似乎看起來已經(jīng)是最優(yōu)解了，但事實上，隨著計算機設備越來越多，交換機的端口都不夠用了，當然你肯定能想到可以用將多個交換機互相連接起來，然后每個交換機之間都互相共享他們的 MAC 地址表。但隨著計算機數(shù)量的增長，比如 10 億臺設備，100 萬個交換機，那這 100 萬個交換機都需要各自維護包含 10 億條記錄的 MAC 地址表，無論是從經(jīng)濟還是效率上來說這也都不是一個很好的選擇。
所以將交換機連接在一起這個思路確實沒有錯，但不能粗暴的直接連接在一起，得想個辦法，讓每個交換機仍然只需要維護和自己連接的設備的 MAC 地址表，同時還能和其他交換機進行共享
路由器應用而生。
路由器同樣有很多端口，每一個端口都擁有一個 MAC 地址和一個 IP 地址，每一個端口都連著一個局域網(wǎng)（或者說子網(wǎng)或者說 IP 地址段也行，本文就不過多區(qū)分子網(wǎng)和局域網(wǎng)的含義了）或者另一個路由器
舉個簡單的例子，有兩個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)內(nèi)都只有一個交換機，交換機上連接著若干個計算機設備，用路由器把這兩個交換機連接起來，當兩個子網(wǎng)之間需要進行通信的時候，通過路由器就可以實現(xiàn)了。
那具體是怎么做到的呢？
事實上，路由器內(nèi)部同樣維護著一張表，這張表稱為【路由表】，記錄著每一個局域網(wǎng)（IP 地址段）和它對應的端口。
比如某個路由器的端口 0 上連接著 192.168.0.x 的 IP 地址段，端口 1 上連接著 192.168.1.x 的 IP 地址段，那么路由表就是下面這樣：
| 目的地址 | 端口 | 下一跳 |
|---|---|---|
| 192.168.0.0/24 | 0 | ? |
| 192.168.0.1/24 | 1 | ? |
大伙一定發(fā)現(xiàn)了上面路由表中還有 ”下一跳“ 這個字段，很簡單，一個路由器的端口畢竟是有限的，不可能一個路由器連接所有的 IP 地址段，因此，如果該路由器發(fā)現(xiàn)目標計算機的 IP 地址不在自己管轄的 IP 地址段之內(nèi)，就會通過下一跳地址轉發(fā)給其他的管轄這個 IP 地址的路由器
路由器具體是怎么工作的呢？比如 A 給 C 發(fā)送數(shù)據(jù)，A 在子網(wǎng)號為 192.168.0.x 的子網(wǎng)，而 C 在子網(wǎng)號為 192.168.1.x 的子網(wǎng)，那么 A 首先需要知道 C 和自己是不是在同一個子網(wǎng)：
如果是同一個子網(wǎng)，那么直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給交換機就可以了
如果不是同一個子網(wǎng)，那么需要經(jīng)過路由器的轉發(fā)，A 需要把數(shù)據(jù)通過交換機發(fā)送給路由器，然后由路由器決定該發(fā)送給哪個子網(wǎng)
A 通過路由器給 C 發(fā)送消息
這里有兩個問題：
1）A 如何判斷是否和 C 在同一個子網(wǎng)？
答案：這個簡單，也不是本文重點，不過多介紹了，就是將源 IP 與目的 IP 分別同子網(wǎng)掩碼進行與運算，結果相等就是在同一個子網(wǎng)
2）A 如何知道哪個設備是路由器？
答案：每個計算機上都要設置【默認網(wǎng)關】
其實說發(fā)給路由器不準確，應該說 A 會把數(shù)據(jù)包發(fā)給默認網(wǎng)關。
對 A 來說，A 只能直接把數(shù)據(jù)包發(fā)給同處于一個子網(wǎng)下的某個 IP 上，所以其實發(fā)給路由器還是發(fā)給某個計算機設備，對 A 來說并沒有什么區(qū)別，反正它只認得 IP 地址。
所以默認網(wǎng)關，其實就是 A 在自己電腦里配置的一個 IP 地址，以便在發(fā)給不同子網(wǎng)的設備時，發(fā)給這個 IP 地址。
總結
如下圖 A 給 F 發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，我們來梳理下整個通信過程：
A 給不同子網(wǎng)的 F 發(fā)送消息
1）首先 A（192.168.0.1）通過子網(wǎng)掩碼（255.255.255.0）計算出自己與 F（192.168.3.2）并不在同一個子網(wǎng)內(nèi)，于是決定發(fā)送給默認網(wǎng)關（192.168.0.222）
2）A 通過 ARP 協(xié)議找到 默認網(wǎng)關 192.168.0.222 的 MAC 地址（數(shù)據(jù)鏈路層需要知道 MAC 地址才能傳輸數(shù)據(jù)）
3）A 將源 MAC 地址（AA-AA-AA-AA）與網(wǎng)關 MAC 地址（MM-MM-MM-MM）封裝在數(shù)據(jù)鏈路層頭部，又將源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.3.2）（注意這里千萬不要以為填寫的是默認網(wǎng)關的 IP 地址，從始至終這個數(shù)據(jù)包的兩個 IP 地址都是不變的，只有 MAC 地址在不斷變化）封裝在網(wǎng)絡層頭部，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包
報文格式
4）第一個交換機收到數(shù)據(jù)包后，發(fā)現(xiàn)目標 MAC 地址是 MM-MM-MM-MM，轉發(fā)給第一個路由器
5）數(shù)據(jù)包來到了第一個路由器，發(fā)現(xiàn)其目標 IP 地址是 192.168.3.2，查看其路由表，發(fā)現(xiàn)了下一跳的地址是 192.168.100.21
6）所以此時該路由器需要做兩件事，一是再次匹配路由表，找到下一跳 192.168.100.21 匹配的端口號，二是從這個端口把數(shù)據(jù)包轉發(fā)出去
7）此時第二個路由器收到了數(shù)據(jù)包，看到其目的地址是 192.168.3.2，查詢其路由表找到匹配的端口號，并準備從該端口把數(shù)據(jù)包轉發(fā)出去
8）但此時路由器需要知道 192.168.3.2 的 MAC 地址才行，于是查看其 ARP 緩存，找到其 MAC 地址為 FF-FF-FF-FF，并將其封裝在數(shù)據(jù)鏈路層頭部，從上個步驟確定的端口將包轉發(fā)出去。
9）如上圖所示，對應的交換機收到了數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址為FF-FF-FF-FF，查詢其 MAC 地址表，從對應的端口把數(shù)據(jù)包發(fā)出去。
10）數(shù)據(jù)包最終成功抵達計算機 F，F(xiàn) 發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址就是自己，于是收下了這個數(shù)據(jù)包
編輯：黃飛
?
工商網(wǎng)監(jiān)
評論