【上海校区】网络协议 3 - 物理层和 MAC 层 - 黑马程序员技术交流社区

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 上面三种方式中，网线连接和集线器是完全在物理层工作，咱们就先见识下这两种方式。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 是的，你没看错，是用一根网线连接在两个电脑上。网线水晶头的第 1、2 和第 3、6脚，分别起着发、收信号的作用，要想通过一根网线将两台电脑连接在一个局域网上，需要额外做的操作就是将网线其中一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线互换一下位置，这样就能在物理层实现一端发送的信号，另一端成功接收。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 当然，除了通过网线连接外，我们还需要配置这两台电脑的 IP 地址、子网掩码和默认网关，将这三项配置成为一个网络，否则是不通的。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 这样，一个宿舍的两台电脑就可以联机打魔兽了。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 问题来，如果又有一个舍友买了电脑，怎么把三台电脑连一起呢？先别说交换机这高档的东西，对于 15 年前的大学生来说，交换机太贵了，买不起。好在除了交换机外，还有个叫做 Hub 的东西，也就是集线器。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 这种设备有多个口，可以将宿舍里的多台电脑连接起来。和交换机不同的是，集线器很“傻”，它没有大脑，完全在物理层工作，将自己收到的每一个字节，都复制到其它端口上去。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 这就像，小明想找小红表白，他不知道小红在哪个小区，于是他就找其它小伙伴，让每个小伙伴负责一个小区，去每一户问是不是小红家，找到小红的小伙伴就将表白语告诉小红。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 上面通过 Hub 实现局域网的方式，你可能已经发现了，Hub 采取的是广播的模式。如果每一台电脑发出的包，局域网内的其它电脑都能收到，那就麻烦了。这就需要解决几个问题：

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 这几个问题，都是数据链路层，也就是 MAC 层要解决的问题。MAC 的全称是 Medium Access Control，即媒体介质访问控制。这里的控制，其实就是控制在往媒体上发数据时，谁先发、谁后发的问题，也就是防止发生混乱。这就解决了第二个问题。这个问题中的规则，学名叫多路访问。和我们交通管制一样，常见的有下面三种方式：

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 要解决第一个问题：发给谁？谁接收？这里用到一个物理地址，叫做链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常常被称为 MAC 地址。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 解决第一个问题就牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网，第二层的最开始，就是目标 MAC 地址和源 MAC 地址。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 接下来是类型。大部分的类型是 IP 数据包，其中 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等，这些都是里层封装的事情。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 有了这个目标 MAC 地址，数据包在链路上广播，MAC 的网卡才能发现，这个包是给它的。MAC 的网卡把包收进来，然后打开 IP 包，发现 IP 地址也是自己的，再打开 TCP 包，发现端口是 80，而 nginx 就是监听 80 端口。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 于是就将请求提交给 nginx，nginx 返回一个网页，最后再经过层层封装，返回到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址，返回的时候，源 MAC 地址就变成了目标 MAC 地址，再返给请求的机器。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 对于以太网，第二层的最后面是 CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误，这主要解决了第三个问题。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 这里还有一个没有解决的问题，当源机器知道目标机器的时候，可以将模板地址放入包里。如果不知道呢？一个广播的网络里面接入了 N 台地址，我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢？这就是 ARP 协议，也就是已知 IP 地址，求 MAC 地址的协议

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 在一个局域网里，如果知道了 IP 地址，不知道 MAC 地址怎么办？这个在网络协议-概述中有提过，本地通信靠“吼”。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 发送一个广播包，广而告之，谁说这个 IP 谁来回答。具体询问和回答的报文就像下面这样：

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 为了避免每次都用 ARP 协议，机器本地会进行 ARP 缓存。当然，缓存的 MAC 地址会有一个过期时间。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 上面解决了广播发出的包，局域网内所有机器都能收到的问题。那么 Hub 是采用怎么样的方式？

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 实际上，Hub 不管某个接口是否需要，所有的数据都会发送出去，然后让主机来判断是否需要相关数据。这种方式会有两个问题：

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 明显可以看出，要解决上面两个问题，只要我们知道哪个接口对应哪个 MAC 地址就好了。如果目标 MAC 地址不是这台电脑的，这个口就不用转发了。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 那么，谁能知道目标 MAC 地址是否就是连接某个口的电脑的 MAC 地址呢？这就需要一个能把 MAC 头拿下来，检查一下目标 MAC 地址，然后根据策略转发的设备，也就是我们之前提过的，二层设备-交换机。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 交换机怎么知道每个口对应的电脑的 MAC 地址呢？这需要交换机能学习。这个也是交换机和 Hub 最明显的区别。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑，当这个包到达交换机的时候，一开始交换机也不知道 MAC2 电脑再哪个口，所以没办法，它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。但是，这个时候，交换机会干一件很聪明的事情，就是交换机记住，MAC1 是来自一个明确的口，以后有包的目的地址是 MAC1 的，就直接发送到对应口就可以了。

[backcolor=rgba(255, 255, 255, 0.5)] 当交换机作为一个关卡一样，过来一段时间后，就有了整个网络的一个结构了。这个时候，基本上不用广播，全部可以准确转发。而交换机学习的结果，我们成为转发表。当然，每台机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，所以转发表也是有一个过期时间的。