作者：一天，本文首發(fā)于公眾號(hào)：網(wǎng)絡(luò)之路博客

 前言

前面講解了一個(gè)網(wǎng)址訪問中的通信過程，接下來幾篇來把這個(gè)過程里面一些細(xì)節(jié)的地方講解下，這些完畢后就開始正式進(jìn)入路由交換的內(nèi)容了。相信大家都玩過單機(jī)游戲，記得博主最早開始喜歡玩像CS、半條命、帝國(guó)時(shí)代、魔獸爭(zhēng)霸3、英雄無敵這些單機(jī)游戲，后來選了計(jì)算機(jī)專業(yè)后，為了更好的學(xué)習(xí)在第二學(xué)期購(gòu)買了臺(tái)筆記本，中午跟晚上就喜歡跟宿舍的人一起玩這種聯(lián)機(jī)游戲，下面就從這樣的故事來進(jìn)入今天的主題內(nèi)容。

 我們能接觸到的物理層

兩臺(tái)電腦進(jìn)行聯(lián)機(jī)，那勢(shì)必需要用網(wǎng)線把兩個(gè)電腦的網(wǎng)卡連接起來，大家都知道，直接電腦店買一根多少米的，接在一起就完事了，但是在早期其實(shí)不是這樣的，你去電腦店購(gòu)買的時(shí)候，老板通常會(huì)問一句，你這個(gè)網(wǎng)線是用于電腦之間連接，還是電腦接其他設(shè)備，這是因?yàn)榫W(wǎng)線有兩種線序標(biāo)準(zhǔn)，一種是568A，一種是568B，如果你是電腦之間連接，老板會(huì)給你做成交叉線（一頭568A一頭是568B），如果你是與交換機(jī)、路由器連接，老板會(huì)給你做成直通線（兩頭線序一樣），這就是物理層帶來的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用什么物理介質(zhì)，以及怎樣的線路去連接，這樣在使用的過程中就不會(huì)出錯(cuò)了。

但是現(xiàn)在你去購(gòu)買網(wǎng)線的時(shí)候，老板直接問你要幾米，不會(huì)在去問你是用來接什么設(shè)備的了，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備跟電腦網(wǎng)卡里面自帶了一種功能，叫做自動(dòng)翻轉(zhuǎn)（線序自適應(yīng)），設(shè)備之間能夠自動(dòng)的適應(yīng)，不管是使用交叉還是直通線來讓電腦接電腦，還是電腦接交換機(jī)、路由器都能夠進(jìn)行通信， 這種功能可以看成是技術(shù)的進(jìn)步，給施工人員減輕了很大的工作量。

這個(gè)小插曲了解后，終于把兩臺(tái)電腦進(jìn)行連接，網(wǎng)卡設(shè)置對(duì)應(yīng)IP、掩碼、網(wǎng)關(guān)等參數(shù)后(對(duì)應(yīng)的這些參數(shù)，在下一篇會(huì)講解）就可以開始聯(lián)機(jī)一起玩了，這種連接的形式，就是常聽到的局域網(wǎng)（LAN），并且可以發(fā)現(xiàn)很多游戲上面寫著局域網(wǎng)聯(lián)機(jī)。

慢慢的隨著宿舍的電腦增加，一個(gè)電腦只有一個(gè)網(wǎng)卡，就沒辦法進(jìn)行兩臺(tái)以上的組網(wǎng)了，不同時(shí)間段接觸網(wǎng)絡(luò)的朋友，可能解決的辦法不一樣，在早期的時(shí)候，其實(shí)是并沒有交換機(jī)的設(shè)備的，而是一種叫做HUB的物理層設(shè)備（集線器），它有多個(gè)接口，可以提供給不同設(shè)備進(jìn)行連接，這樣解決了多臺(tái)電腦之間局域網(wǎng)連接的問題，但是集線器有幾個(gè)很大缺點(diǎn)。

缺點(diǎn)一：廣播模式（廣播域）

除了打游戲以外，大家平時(shí)也會(huì)共享一些學(xué)習(xí)、娛樂的資料，按正常邏輯來說，A發(fā)一個(gè)文件給D，B跟C是不會(huì)收到的，但是在集線器里面B跟C也會(huì)收到，當(dāng)A把數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，集線器是一個(gè)物理層設(shè)備，它不會(huì)對(duì)以鏈路層做任何的解封裝操作，只會(huì)將接收到的物理信號(hào)進(jìn)行放大，把A這個(gè)口收到的數(shù)據(jù)從其他口廣播出去，這個(gè)就叫做廣播域。（相當(dāng)于村里或者學(xué)校的廣播站，大家都能聽到，在一個(gè)廣播的范圍內(nèi)。）

最終的結(jié)果就是A本來想給D多帶帶發(fā)的，結(jié)果B跟C也收到了，雖然B跟C不會(huì)看里面實(shí)際的內(nèi)容（因?yàn)閺慕夥庋b的過程發(fā)現(xiàn)MAC地址并不是找的自己，就會(huì)丟棄），但是在安全性上面存在很大的隱患，以及會(huì)浪費(fèi)不必要的鏈路資源。

缺點(diǎn)二：沖突域

同樣的集線器（HUB）只是一個(gè)信號(hào)放大器以及半雙工的工作方式，收到一個(gè)數(shù)據(jù)后是直接發(fā)送，不做緩存（它也沒有這個(gè)機(jī)制），這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，在同一時(shí)間只能有一臺(tái)電腦發(fā)送數(shù)據(jù)給HUB處理，比如上圖，A與D同時(shí)想發(fā)送文件給C，HUB收到后就會(huì)產(chǎn)生沖突， 這個(gè)就叫做沖突域。（沖突域這個(gè)問題了解就行，在現(xiàn)在的設(shè)備里面已經(jīng)解決了這個(gè)問題。）

缺點(diǎn)三：共享帶寬

集線器（HUB）內(nèi)部結(jié)構(gòu)是通過一根總線連接起來的，所有的接口都是共享這總線的帶寬，如果總線是10M，那么這個(gè)集線器的總速率就是10M，那這個(gè)時(shí)候如果接了4臺(tái)終端，那么每臺(tái)終端平均分配的帶寬則是10/4=2.5M，終端越多速率就越低。

至此呢，宿舍一群人總算可以愉快的一起玩游戲，但是傳輸文件資料的時(shí)候，通常就把集線器的帶寬給占滿了，其余電腦沒辦法使用，為此呢很苦惱。（這里介紹這里多集線器的事情，只是想大家了解下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)展史，以及引入出后面我們要學(xué)習(xí)的設(shè)備，這樣大家印象會(huì)深刻些，集線器是在如今看是已經(jīng)是一個(gè)歷史的產(chǎn)物了。）

   既然Hub這么不靠譜，在當(dāng)時(shí)候又沒有更好的設(shè)備去取代，所以這種情況下，數(shù)據(jù)鏈路層是定義了一些規(guī)則，來盡量解決這個(gè)Hub帶來的問題。（這里說明下，數(shù)據(jù)鏈路層里面協(xié)議非常多，本次課程內(nèi)容出發(fā)跟重點(diǎn)都是講解企業(yè)組網(wǎng)，重點(diǎn)放在局域網(wǎng)這塊，局域網(wǎng)目前使用的就是以太網(wǎng)協(xié)議，后面會(huì)介紹，這里先說明下，因?yàn)楹芏嗯笥芽赡芸催^很多初學(xué)的文檔教材，里面會(huì)介紹鏈路層很多的協(xié)議，會(huì)弄的有些亂。）

規(guī)則一：誰先發(fā)，誰后發(fā)

 上面提到過，在Hub的環(huán)境下，只要有兩臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生沖突，在二層以太網(wǎng)中引入了一個(gè)機(jī)制，CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)），這個(gè)機(jī)制規(guī)定了，接在Hub下的終端不停的檢測(cè)共享線路的狀態(tài)，如果目前空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)有人在發(fā)送，則等待一段時(shí)間后繼續(xù)檢查，整體的原理就是，先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨機(jī)延時(shí)后重發(fā)。（可以看成我們的紅綠燈，同樣有多個(gè)方向的路徑，如果沒有規(guī)則，那出現(xiàn)事故的幾率是不是就大很多了）

規(guī)則二：這個(gè)數(shù)據(jù)是誰發(fā)送出來的，誰來接收

規(guī)則三：如果這個(gè)數(shù)據(jù)幀在發(fā)送過程中，出現(xiàn)了錯(cuò)誤，收到后怎么辦？（二跟三都在下面統(tǒng)一回答）

   不知道大家有沒有仔細(xì)觀察過，不管是個(gè)人PC的網(wǎng)卡、光貓、路由器、服務(wù)器都有一個(gè)MAC地址，這是網(wǎng)卡廠家出廠的時(shí)候就已經(jīng)燒錄在里面了，也被稱為硬件地址。MAC地址在數(shù)據(jù)鏈路上作為設(shè)備的地址標(biāo)識(shí)符，需要確保在網(wǎng)絡(luò)中的MAC地址是唯一的，這樣才能夠正確的識(shí)別到數(shù)據(jù)鏈路上的設(shè)備。

MAC地址由6個(gè)字節(jié)組成，前面三個(gè)字節(jié)表示廠商唯一標(biāo)識(shí)符（比如圖上面的44-8A-5B），不同網(wǎng)卡廠商都有特定的組合，后三個(gè)字節(jié)由廠家自己進(jìn)行分配，這樣能夠保證廠家生產(chǎn)出來的網(wǎng)卡MAC地址不會(huì)相同。

由于MAC地址太長(zhǎng)了，有6個(gè)字節(jié)（Byte），而一個(gè)字節(jié)=8個(gè)比特（bit），由0跟1組成，比如上面的物理地址是44-8A-5B-D9-91-D9，如果說換算成二進(jìn)制則為01000100-10001010-01011011-11011001-10010001-11011001，不要說非業(yè)內(nèi)人士，就是業(yè)內(nèi)人士看到這一串二進(jìn)制比特也得看迷糊了，所以為了方便查看，各個(gè)廠家的MAC地址都統(tǒng)一用十六進(jìn)制來表示，并且不同的操作系統(tǒng)表示的方式不太一樣，這個(gè)在后續(xù)會(huì)慢慢的遇到。

 MAC地址在以太網(wǎng)中有什么用呢？

在如今的我們局域網(wǎng)中，使用的協(xié)議是以太網(wǎng)Ⅱ協(xié)議，屬于數(shù)據(jù)鏈路層中的其中一種協(xié)議，在早期的時(shí)候有線局域網(wǎng)有多個(gè)協(xié)議同時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)的，像ATM、令牌環(huán)、FDDI，這些協(xié)議帶來的產(chǎn)品要么價(jià)格貴、要么速率低，隨著以太網(wǎng)推出100M標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)入快速以太網(wǎng)時(shí)代，這個(gè)時(shí)候以太網(wǎng)得到了突飛猛進(jìn)的市場(chǎng)支持跟占有率，慢慢的稱為主流，緊接著推出來了千兆以太網(wǎng)、以及萬兆，至今在局域網(wǎng)中能看到的主流協(xié)議就是以太網(wǎng)了，目前使用的是第二代，也稱為以太網(wǎng)Ⅱ。以太網(wǎng)是一個(gè)典型的多路訪問的網(wǎng)絡(luò)，跟上面宿舍一樣，A、B 、C、D都接在Hub上面，都能夠互相進(jìn)行訪問，而不是說只能訪問某一個(gè)，那就帶來了一個(gè)問題，那么A、B、C、D它怎么識(shí)別這個(gè)數(shù)據(jù)幀是給自己的呢？又是誰發(fā)送的呢？，這個(gè)就是以太網(wǎng)中MAC地址的作用，能夠根據(jù)這個(gè)地址定位到某個(gè)具體的終端設(shè)備，因?yàn)?/span>MAC地址具有唯一性，下面來看下以太網(wǎng)Ⅱ的數(shù)據(jù)幀格式。

以太網(wǎng)Ⅱ的數(shù)據(jù)幀格式

• ?前導(dǎo)碼（ Preamble ）

前導(dǎo)碼由 7 個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)固定為 10101010 。之后的 1 個(gè)字節(jié)稱為幀起始定界符，這個(gè)字節(jié)固定為 10101011 。這 8個(gè)字節(jié)表示以太網(wǎng)幀的開始，也是對(duì)端網(wǎng)卡能夠確保與其同步的標(biāo)志。幀起始定界符的最后兩位比特被定義為 11 ，作用是告訴接收方進(jìn)行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備，這里說下，這個(gè)是網(wǎng)卡會(huì)完成這部分的操作，知道有這個(gè)存在就行。（后很多教材里面不會(huì)把前導(dǎo)碼這個(gè)字段標(biāo)識(shí)出來）

• 目的MAC地址（Destination address）

 由六個(gè)字節(jié)組成，明確說明這個(gè)數(shù)據(jù)幀是交給誰的（要訪問的目的終端設(shè)備）

• 源MAC地址 (Source address)

 由六個(gè)字節(jié)組成，標(biāo)明這個(gè)數(shù)據(jù)幀是誰發(fā)的（發(fā)起這個(gè)數(shù)據(jù)的源設(shè)備）

• 類型（Type）

   由2個(gè)字節(jié)組成，表明了上一層的協(xié)議類型，可以讓接收方知道上一層使用的什么，用對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行讀取。（這里是不是解答了第二篇里面最后問道的其中一個(gè)問題了，在數(shù)據(jù)幀里面會(huì)標(biāo)明上層的協(xié)議，而不用等解封裝后到了上一層才知道）

• 數(shù)據(jù)（Data）?

  實(shí)際的數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)幀能夠容納的最大數(shù)據(jù)范圍是46~1500個(gè)字節(jié)，如果說數(shù)據(jù)部分不足46個(gè)字節(jié)，會(huì)進(jìn)行填充，滿足最小的長(zhǎng)度要求。

• FCS （ Frame Check Sequence ） CRC

用于校驗(yàn)除前導(dǎo)碼以太的所有幀信息，保證傳輸?shù)膸耐暾院驼_率，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀不完整或者錯(cuò)誤，就直接丟棄，不交給上層處理，減少?zèng)]必要的消耗。（這個(gè)就是規(guī)則三里面的，由FCS來解決出現(xiàn)了錯(cuò)誤后怎么辦的問題）?

交換機(jī)的出現(xiàn)

 Hub的問題上面都知道了，Hub本身的工作模式還是最大的問題，一旦局域網(wǎng)的終端機(jī)器增多，那么沖突的幾率就越大，即使有了這些機(jī)制的出現(xiàn)，可以避免沖突，但是增加了等待延時(shí)，糟糕的情況就是主機(jī)有個(gè)很大的文件在傳輸，那么其他的終端設(shè)備就得一直等待傳輸完畢，使用效率非常低下，這樣的設(shè)備滿足不了市場(chǎng)的需求，這個(gè)時(shí)候交換機(jī)（switch）就出現(xiàn)了，交換機(jī)跟HUB有本質(zhì)上面的區(qū)別。

（1）能夠讀取數(shù)據(jù)幀

 Hub工作在物理層的設(shè)備，而交換機(jī)是工作在數(shù)據(jù)鏈路層以及以上的設(shè)備，它是具有讀取數(shù)據(jù)幀的功能的，并且能夠使用以太網(wǎng)協(xié)議，這樣就算數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)誤的地方，可以通過FCS來進(jìn)行校驗(yàn)，有問題的直接丟棄，而Hub則不行，直接就廣播出去了。

（2）工作在全雙工以及獨(dú)立的接口硬件，速率得到了提升

  Hub上面介紹過是工作在半雙工，它只有物理電信號(hào)放大的作用，所以導(dǎo)致了沖突域的出現(xiàn)，而交換機(jī)不一樣，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)就改變了這個(gè)問題，它把每個(gè)接口獨(dú)立出來，有多帶帶的芯片處理，把每個(gè)口之間給獨(dú)立出來了，好處是（1） 1口給2口發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，不會(huì)影響到其他接口，隔離了沖突域，并且，其他口也可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）每個(gè)口可以工作在全雙工模式，可以同時(shí)接收與發(fā)送數(shù)據(jù)  （3）帶寬不在是跟Hub一樣，共享的形式了，比如交換機(jī)是百兆交換機(jī)，那么每個(gè)接口都可以獨(dú)享100M，如果交換機(jī)是千兆，每個(gè)接口則可以獨(dú)享1000M。 這樣就解決了局域網(wǎng)規(guī)模增大，由于沖突帶來的問題，并且?guī)捯驳玫搅颂嵘?/span>

（3）具有學(xué)習(xí)地址的功能

Hub它收到一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候是直接廣播到其他接口，這種模式顯然影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，安全隱患大，交換機(jī)改變了這種模式，由于它工作在鏈路層，也使用了以太網(wǎng)協(xié)議，它能夠去學(xué)習(xí)MAC地址，并且通過學(xué)習(xí)把它記錄在自己的數(shù)據(jù)表中，這樣交換機(jī)就知道，哪個(gè)口是對(duì)應(yīng)哪個(gè)MAC了，當(dāng)A去訪問D的時(shí)候，交換機(jī)收到這樣一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，讀取到里面的目的MAC是發(fā)給D的，D在4號(hào)接口，直接交給D的接口即可，而不用把數(shù)據(jù)從其他接口廣播的形式發(fā)送了。

至此呢，交換機(jī)從取代集線器開始到如今一直在企業(yè)網(wǎng)中使用，并且在如今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，交換機(jī)不在是單純的歸納到數(shù)據(jù)鏈路層了，因?yàn)樵谄髽I(yè)網(wǎng)中還有高級(jí)點(diǎn)的三層交換機(jī)，能處理IP數(shù)據(jù)包，以及能讀取四層的端口號(hào)信息，但是核心的理念還是不變的，這些我們?cè)谡竭M(jìn)入交換機(jī)篇的時(shí)候會(huì)詳細(xì)講解。

知識(shí)點(diǎn)擴(kuò)充

（1）半雙工跟全雙工

 這個(gè)作為了解即可，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常情況下都是工作在全雙工，半雙工是指數(shù)據(jù)在傳輸過程中同時(shí)只能像一個(gè)方向傳輸，要么上傳要么下載（Hub設(shè)備），就好比一個(gè)單車道的路，同時(shí)只能一輛車過去，或者是過來，如果兩邊同時(shí)通過，那么就在某個(gè)點(diǎn)就出現(xiàn)了沖突了。全雙工指交換機(jī)可以發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也能接收數(shù)據(jù)，這樣可以得到更高的傳輸效率，沒有沖突、速度快、延遲小，就好比雙車道上，來來往往的車輛互不影響。

（2）總結(jié)下Hub與交換機(jī)的特點(diǎn)

    Hub與交換機(jī)的工作原理跟特點(diǎn)其實(shí)上面都已經(jīng)介紹過了，這里就在舉一個(gè)有點(diǎn)接近的比喻，Hub有點(diǎn)類似于一個(gè)大的辦公區(qū)域，這個(gè)時(shí)候經(jīng)理有事情跟老板溝通，勢(shì)必會(huì)讓其他員工分心，想聽聽有什么內(nèi)容，這樣就影響了員工的辦公效率，同時(shí)也沒有私密性，員工也不能在老板談話的時(shí)候去打擾它，這樣會(huì)造成沖突。

  慢慢的公司發(fā)展起來了，這里交換機(jī)還是作為一個(gè)大的辦公區(qū)域，高層人員都有了獨(dú)立的辦公室，想要找到某個(gè)人溝通，只需要去往對(duì)應(yīng)的門牌號(hào)（MAC地址）就能找到對(duì)應(yīng)的人進(jìn)入房間溝通，不會(huì)影響到其他人，辦公室之間也不會(huì)相互沖突。

（3）關(guān)于速率問題（Bye/bit）

  這個(gè)屬于一個(gè)物理層介質(zhì)的單位問題，不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn)過，比如我們電腦里面的文件大小單位都是MB、GB，這個(gè)屬于存儲(chǔ)以字節(jié)作為單位，但是在我們學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)中，是以最小的比特做單位的，1字節(jié)=8比特，所以你可能會(huì)困惑，明明我拉了條100M的帶寬，但是實(shí)際在下載的時(shí)候怎么只能達(dá)到10~12MB左右，這就是因?yàn)閹挼膯挝挥玫氖潜忍?，而不是字?jié)，而下載數(shù)據(jù)用的單位是字節(jié)，中間相差8倍，這里作為一個(gè)補(bǔ)充了解下，后續(xù)在換算或者做某些帶寬限制的時(shí)候用的上。

（4）關(guān)于每一層數(shù)據(jù)的稱乎

 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收都是一個(gè)封裝與解封裝的過程，每一層數(shù)據(jù)都有不同的稱呼，在物理層叫做比特，在數(shù)據(jù)鏈路層叫做幀。（其他層面的介紹到了會(huì)進(jìn)行說明，這個(gè)了解即可）

遺留下來的細(xì)節(jié)問題（思考下）

•  在上文提到的網(wǎng)卡設(shè)置IP地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)的參數(shù)，有什么作用呢？已經(jīng)有了MAC地址為什么還要IP地址呢？（下一篇關(guān)鍵內(nèi)容）
• A發(fā)送文件給D，在初始化的情況下，A怎么就能夠知道D的MAC就是這個(gè)呢？（下幾篇關(guān)鍵內(nèi)容）
• 交換機(jī)它是如何學(xué)習(xí)到A、B、C、D的MAC地址的呢？（交換機(jī)篇會(huì)詳細(xì)講解）
• 交換機(jī)的一個(gè)接口能否學(xué)習(xí)到多個(gè)MAC呢，那假設(shè)移動(dòng)位置后，交換機(jī)會(huì)怎么處理？（交換機(jī)篇會(huì)詳細(xì)講解）?

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