本文參考b站up主free-coder的視頻：【網路】半小時看懂<計算機網路>

計算機網路入門

• 如果現在有兩臺計算機，要實作兩臺計算機之間的相互通信，你會怎么設計？

  最簡單的辦法，在兩臺計算機之間拉一條線，計算機之間的通信就通過這條線來進行，通信的方式就是將資料轉換成0101這樣的二進制高低電平信號通過這條線來傳播

• 如果現在不止兩臺計算機，比如有五臺計算機，要設計一個能夠使每臺計算機之間能夠兩兩通信的網路，怎么設計？

  很顯然，如果用直接拉線的方法，每兩臺計算機之間拉一條線，那么隨著計算機數量的增加，拉線的數量會越來越多，越來越復雜，成本也會越來越高

  這時，我們就想到利用一個“中介”，所有計算機都拉一條線到這個“中介”上，再通過“中介”來轉發，這樣就能大大減少拉線的數量，節省成本，這里就提出了計算機網路設計中一個非常重要的思想——轉發的思想

• 既然有了“中介”，我們就可以通過中介來進行通信，那么問題又來了，中介收到了你發給他的訊息后，他怎么知道要轉發給誰呢？

  我們可以給網路中的每臺計算機一個標識，相當于計算機的“身份證號”，這里就提出了計算機網路設計中另一個非常重要的思想——標識的思想

  比如1要發送訊息給3，1首先要把訊息發給中介，并且在訊息中寫上收件人是3，中介拿到訊息后把這條訊息無條件地轉發給網路中的所有計算機，其他計算機拿到訊息一看，這不是發給我的，就直接丟棄了，只有3這臺計算機拿到一看，哦是給我的訊息，于是就接收下來，這樣就建立了通信

  這種無腦群發的通信方式稱為廣播

  這種無腦轉發的“中介”是一個叫做集線器的設備，所使用的”線“是雙絞線，它是早期所使用的技術

• 如果網路中同時有兩臺計算機發出訊息，那么集線器會同時收到兩束信號，這兩束信號可能會雜糅在一起，造成沖突，怎么處理這個問題呢？

  針對這個問題，提出了一種協議——CSMA/CD協議，這個協議可以讓這些計算機在發送前先進行載波偵聽，就是先檢測一下這個鏈路上有沒有其他人正在發送資料，如果沒有的話我再發送

  這就是CSMA/CD協議最重要的功能，即防止沖突

• 很明顯，集線器設備的這種”無腦轉發“的方式雖然簡單粗暴，但是有很多缺點——效率低下、通信資源利用率低、不安全，怎么解決這個問題？

  在轉發時可以采取另一種方式，中介拿到訊息不是無腦散播出去，而是拿起來看一看收件人是誰，哦是給3的訊息，于是就將訊息轉發給3，這樣的方式明顯效率更高，而且更加安全

  這種方式也是現在所采用的技術，這里的”中介“叫做交換機或二層交換機或網橋

• 交換機就比集線器聰明嗎？它在轉發的時候怎么知道哪根線是3的？

  交換機比集線器先進的地方在于，它設定了記錄的機制，剛開始它和集線器一樣，收到訊息后也不知道要走哪條線，就直接無腦轉發，但是集線器不善于歸納總結，非常死板，一直無腦轉發，而交換機就不一樣了，在1號發來訊息時，他就知道了原來這個埠連接的是1號，他就在表中記錄：1號對應xx埠，同時，在無腦轉發后，他發現只有一條線上的計算機接收了訊息，其他線上的計算機都把資料丟棄了，這樣他就明白了，哦原來這個連著這個埠的線是通向3這臺計算機的，于是他就在表中記錄：3號對應xx埠，那么當下一次有訊息要發給3號時，交換機在表中一查，就知道要走哪條線了，就不需要無腦群發了

  那么，如果下一次有訊息要發給2號呢？交換機在表中一查，誒？沒查到！那就和之前一樣，無腦群發，看誰接收了，再記錄到表中，這樣回圈往復，發給誰走哪條線，對于交換機來說就一清二楚了

  在實際中，給計算機的標識當然不是像1號、2號、3號這么簡單，而是采用MAC地址，MAC地址是每個網卡在出廠時就已經寫死的，也就是說，MAC地址就是網卡的地址，將網卡插在計算機上，計算機就能參與網路，所以這里的標識標的是網卡而不是計算機

  交換機記錄表記錄的是MAC地址與交換機埠的映射關系，這個記錄表稱為交換表或MAC地址表

• 使用交換機會不會產生沖突的問題呢？又是如何解決這個問題的呢？

  交換機不會產生沖突的問題，集線器采用的是雙絞線，而交換機采用的是我們現在的網線，網線中是有八根線的，正常情況下至少有四根線在作業，這種方式可以實作某臺計算機同時在發訊息也同時在收訊息（走不同的線即可）

  這種能夠同時在發訊息也同時在收訊息的通信稱為全雙工通信

  而集線器這種可以發訊息也可以收訊息但不能同時進行的通信稱為半雙工通信

  當然還有一種，一方只能發訊息，另一方只能收訊息的通信稱為單工通信

• 交換機可以連接交換機嗎？如果可以連接，那又是怎樣建立表的呢？

  交換機可以連接交換機，這種連接稱為交換機的橋接

  舉個例子，MAC1，MAC2，MAC3對應的三臺計算機連接在交換機1上，分別接入埠1，2，3；MAC4，MAC5對應的兩臺計算機連接在交換機2上，分別接入埠1’，2’；交換機1的埠4和交換機2的埠3’相連接

  那么對于交換機1來說，MAC1，MAC2，MAC3之間相互發送訊息就會使交換機1記錄下MAC地址與埠的映射關系，即{MAC1:1, MAC2:2, MAC3:3}

  當MAC1發送訊息給MAC4時，交換機1收到MAC1發來的訊息，一看是發給MAC4的，他就在表中找MAC4對應的是走哪個埠啊，誒？找不到！但是他可以判斷出肯定不是埠1，2，3的，因為埠1，2，3在表中都記錄了，都不是MAC4，所以他會走除了1，2，3的其他埠進行群發，這個訊息從埠4傳到交換機2那里，交換機2又在他的表中找，不管找沒找到，反正最后訊息會發到MAC4那里，這時交換機1就檢測到哦原來只有埠4那條線接收了訊息，所以就記錄MAC4:4

  那如果MAC1發給MAC5呢？一樣的道理，最終結果也是只有埠4那條線接收了訊息，所以交換機1記錄MAC5:4，這樣，不管是發給MAC4還是MAC5，交換機都會走埠4，發送給交換機2，再由交換機2去轉發

• 發送資料的時候，MAC地址記錄在哪里呢？

  MAC地址記錄在資料的頭部，就像寄信的時候把地址寫在信封上一樣

  其實，計算機網路是分層的，不同的層分管不同的任務，完成不同的功能，提供不同的服務

  計算機在發送資料的時候需要先在資料頭部加上MAC地址再發送，負責加MAC地址的就是資料鏈路層，而負責將資料轉換成0101這樣的電信號的就屬于物理層，同時，交換機需要收到電信號要將其決議成資料，這個作業也是屬于物理層的，交換機還需要從決議得到的資料的頭部提取MAC地址，這個作業是屬于資料鏈路層的

  因此，物理層負責的是搞電信號和資料之間的轉換的，資料鏈路層是搞MAC地址的

  集線器無腦轉發，不搞MAC地址，交換機要處理MAC地址，所以集線器作業在物理層，交換機作業在資料鏈路層

  之前提出了CSMA/CD協議是處理沖突的協議，他是作業在資料鏈路層的

• 一般來說MAC地址表能存的數量是幾千，雖然已經比直接拉線效率高很多了，但對于實作全球互聯網還是有很大的距離，那么我們還能夠怎樣進行改進呢？

  如果只是使用交換機來連接全球計算機，那么當一臺計算機發出訊息時，第一個交換機找不到，就會廣播到下面幾個交換機，還找不到就會再廣播、再廣播……一條訊息發出去差不多要把全球的計算機遍歷一遍，這種現象被稱為訊息洪泛

  顯然，交換機只能適用于小范圍內的網路，對于大范圍內的網路需要采取其他的措施

  這里可以引入一些概念，網路按照范圍來分類，可以分成個域網、局域網、城域網、廣域網，個域網一般是個人的一些設備比如電腦、手機、列印機相連組成的一個網路；局域網就范圍稍大一些，比如公司網、校園網；城域網的范圍就擴大到一個城市或幾個城市；廣域網是最大范圍

  交換機在局域網中還是比較高效的，但范圍再擴大時就力不從心了

  這時候我們就可以把視角放大一點，既然交換機在局域網中是非常高效的，那么我們就在各個區域用交換機來連接成一個個局域網，然后想辦法讓多個局域網連接起來，想一想當初如何聯通多個計算機的？對，就是通過中介！依照這個思路，我們可以再設定一個更高級別的中介，這個中介負責把多個局域網連接起來，

  這個更高級別的中介就叫路由器或三層交換機或網關

  計算機1與同屬于一個網路下的計算機2進行通信時，直接走交換機即可；如果計算機1要與其他網路下的計算機3進行通信，就必須通過交換機轉到路由器接入到其他網路，再從其他網路的交換機轉到計算機3上建立通信

  不同的網路又稱為子網、網段

• 路由器又是如何怎么知道他要轉發給誰呢？

  在交換機那里我們提出了MAC地址，用于標識連接進網路的各臺設備（我們之前舉得例子都是計算機，實際上手表、手機、甚至音響等等都可以作為網路設備聯網），在這里，我們需要一個新的標識，來標識各網路，因為路由器是各網路的中介，這里所引進的標識就是IP協議下的IP地址

  而與網路設備不同的是，網路是一個抽象的概念，并沒有規定大小有多大，也沒有劃定地理范圍在哪里，因此這個標識網路的地址也必須是由網路設備在發送訊息時順帶發送出去的，

  IP地址不僅僅標識網路，同時也標識了設備，與MAC地址的處理方法一樣，IP地址也是加在所要發送的資料的頭部，路由器接收到發送來的資料時，也需要從中提取出IP地址，同樣的，路由器也采用了交換機的策略，建立了映射表，這個表稱為路由表，但不同的是，這個路由表的建立并不是像交換機那么簡單，查不到就廣播，而是有更加復雜的路由演算法得到，這一點我們了解即可，這里就不再深究

  我們發現這里又多出了一層，這一層是專門搞IP地址的，稱為網路層

  因此，路由器是作業在網路層的，IP協議是網路層下的一個協議

• IP地址是怎么做到既標識網路，又標識設備的呢？

  IP地址由4位0-255的十進制陣列成，對應32位二進制數，比如192.168.0.1就是一個IP地址，

  同時，在IP地址中又分為網路位和主機位，網路位標識了網路，主機位標識了在該網路下的設備，

  網路位和主機位的劃分通過子網掩碼來完成，子網掩碼與IP地址一樣，也是32位二進制數，子網掩碼取1的部分為網路位，子網掩碼取0的部分為主機位

  從屬于同一網路下的各設備擁有相同的網路位，從屬于不同網路下的各設備就有不同的網路位，這樣就用IP地址+子網掩碼做到了既標識網路，又標識設備

• 既然IP地址又標識網路又標識設備，那還需要MAC地址嗎？

  這里我們要注意，IP地址是網路層的提出的標識概念，實際的資料傳輸程序仍然走的是MAC地址

  路由器也是有MAC地址的，在資料鏈路層范疇內，路由器與其他參與網路的設備沒有任何區別，交換機一樣會把路由器當作一個有MAC地址的網路設備進行資料傳輸

• 既然資料傳輸程序仍然走的是MAC地址，那么IP地址是怎么轉換成MAC地址的呢？基于網路層的通信程序又是什么樣的呢？

  APR協議可以使IP地址轉換成MAC地址，首先設備會發出ARP廣播，詢問哪臺設備的IP地址是這個啊，每臺設備都會收到訊息，IP地址是這個的設備收到訊息后就回應，我的IP地址是這個，然后我的MAC地址是這個.……這樣就完成了IP地址到MAC地址的轉換

  比如網路1的IP為192.168.0.0/24，屬于網路1下的設備1IP為192.168.0.102；網路2的IP為192.168.1.0/24，屬于網路2下的設備2IP為192.168.1.254，路由器中連接網路1的埠IP為192.168.0.1，連接網路2的埠IP為192.168.1.52，所以路由器的原理實際上就是有多個屬于不同網路下的埠IP，相當于黑道白道通吃的中間人角色

  設備1向設備2發出資料，首先網路層會在資料前加頭部，頭部中包含源IP地址0.10和目的IP地址1.254；之后資料鏈路層在資料前加頭部，由于目的IP地址與源IP地址不在同一網段下，因此目的MAC地址為路由器埠0.1的MAC地址；資料傳輸到路由器埠1后，經過決議和重新封裝，目的IP地址和源IP地址不變，源MAC地址變為埠0.1的MAC地址，目的MAC地址變為1.52的MAC地址；傳到埠2后，路由器再次對其決議和重新封裝，目的IP地址和源IP地址不變，對于MAC地址，路由器發出ARP廣播，得到目的MAC地址為1.254的MAC地址，源MAC地址為1.52的MAC地址，最終資料成功發送到設備2