所謂換個(gè)角度，就是從三層物理設(shè)備（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層）開始，串聯(lián)起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作原理

可能有些小伙伴看見物理設(shè)備天生就犯困，反手就準(zhǔn)備關(guān)閉文章，且慢！本文只是簡單的介紹這幾個(gè)設(shè)備的功能，并不會(huì)涉及復(fù)雜的底層硬件原理，不一定嚴(yán)謹(jǐn)，并且摒棄了很多細(xì)節(jié)，但讀起來一定通俗易懂，幫助你迅速搭建起計(jì)網(wǎng)的知識(shí)框架。

什么是數(shù)據(jù)？

首先我們需要知道，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臇|西是什么？所謂數(shù)據(jù)，什么是數(shù)據(jù)

假設(shè)你要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是 name = "小牛肉"，那么經(jīng)過從應(yīng)用層開始經(jīng)過層層封裝，到達(dá)物理層進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，你的數(shù)據(jù)已經(jīng)被封裝進(jìn)了很多東西：

首部里面具體是什么，不是本文的重點(diǎn)，你只需要知道其中有這么幾個(gè)字段很重要：

源 IP 地址

源 MAC 地址

目標(biāo) IP 地址

目標(biāo) MAC 地址

每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的 IP 地址和 MAC 地址。

物理層設(shè)備：集線器

假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上有 A B C D E 五臺(tái)計(jì)算機(jī)，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(shè)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(gè)端口，每個(gè)端口都連著一臺(tái)計(jì)算機(jī)，假設(shè) A 計(jì)算機(jī)對應(yīng)端口 1， B 計(jì)算機(jī)對應(yīng)端口 3，C 計(jì)算機(jī)對應(yīng)端口 7......

那么 A 想要給 C 發(fā)送消息，消息要經(jīng)過誰？沒錯(cuò)，首先要經(jīng)過集線器

集線器不是很聰明，他其實(shí)也不知道 C 到底在哪里，所以他會(huì)將 A 的消息廣播給所有的計(jì)算機(jī)，由各個(gè)計(jì)算機(jī)自己判斷是不是發(fā)送給自己的消息。

數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備：交換機(jī)

雖然集線器確實(shí)有用，但也導(dǎo)致了消息爆炸，原來我只要發(fā)給計(jì)算機(jī) B 的消息，現(xiàn)在卻要發(fā)給連接到集線器上的所有計(jì)算機(jī)，這樣無論是從經(jīng)濟(jì)還是效率上來說都不是一個(gè)很好的選擇。如果把這個(gè)集線器弄得更智能一些，只發(fā)給目標(biāo)計(jì)算機(jī)就好了。

既然只發(fā)送給一個(gè)計(jì)算機(jī)，那我們首先需要唯一定位這個(gè)計(jì)算機(jī)。

通過什么來定位？發(fā)送出來的數(shù)據(jù)包中其實(shí)已經(jīng)封裝好了，就是通過目標(biāo)計(jì)算機(jī)的 MAC 地址來進(jìn)行唯一定位。

A 通過交換機(jī)給 C 發(fā)送消息

那具體是怎么做到的呢？

事實(shí)上，交換機(jī)內(nèi)部維護(hù)一張 【MAC 地址表】，記錄著每一個(gè) MAC 地址的設(shè)備，連接在哪一個(gè)端口上。

如果發(fā)來的包首部中包含的目標(biāo) MAC 地址在 MAC 地址表中沒有映射關(guān)系，交換機(jī)就將此包廣播給所有端口，也即發(fā)給了所有機(jī)器；

如果地址表有映射，那就只發(fā)給那一個(gè)端口

比如 A 想要給 C 發(fā)送消息，一開始交換機(jī)的 MAC 地址表是空的，交換機(jī)并不知道 C 的端口號，因此 A 發(fā)送的消息將會(huì)被廣播，同時(shí)，A 的 MAC 地址和它對應(yīng)的端口號會(huì)被記錄到 MAC 地址表中。

A 通過交換機(jī)給 C 發(fā)送消息，此時(shí) MAC 地址表為空

這樣，C 對 A 的消息進(jìn)行響應(yīng)的時(shí)候，交換機(jī)就不需要進(jìn)行廣播消息了，因此它已經(jīng)知道 A 計(jì)算機(jī)在哪個(gè)端口了，并且同樣的，C 的 MAC 地址和它對應(yīng)的端口號會(huì)被記錄到交換機(jī)的 MAC 地址表中。

C 通過交換機(jī)給 A 發(fā)送消息，此時(shí) MAC 地址表中含有 A 的信息

網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備：路由器

交換機(jī)似乎看起來已經(jīng)是最優(yōu)解了，但事實(shí)上，隨著計(jì)算機(jī)設(shè)備越來越多，交換機(jī)的端口都不夠用了，當(dāng)然你肯定能想到可以用將多個(gè)交換機(jī)互相連接起來，然后每個(gè)交換機(jī)之間都互相共享他們的 MAC 地址表。但隨著計(jì)算機(jī)數(shù)量的增長，比如 10 億臺(tái)設(shè)備，100 萬個(gè)交換機(jī)，那這 100 萬個(gè)交換機(jī)都需要各自維護(hù)包含 10 億條記錄的 MAC 地址表，無論是從經(jīng)濟(jì)還是效率上來說這也都不是一個(gè)很好的選擇。

所以將交換機(jī)連接在一起這個(gè)思路確實(shí)沒有錯(cuò)，但不能粗暴的直接連接在一起，得想個(gè)辦法，讓每個(gè)交換機(jī)仍然只需要維護(hù)和自己連接的設(shè)備的 MAC 地址表，同時(shí)還能和其他交換機(jī)進(jìn)行共享

路由器應(yīng)用而生。

路由器同樣有很多端口，每一個(gè)端口都擁有一個(gè) MAC 地址和一個(gè) IP 地址，每一個(gè)端口都連著一個(gè)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(gè)路由器

舉個(gè)簡單的例子，有兩個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)都只有一個(gè)交換機(jī)，交換機(jī)上連接著若干個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備，用路由器把這兩個(gè)交換機(jī)連接起來，當(dāng)兩個(gè)子網(wǎng)之間需要進(jìn)行通信的時(shí)候，通過路由器就可以實(shí)現(xiàn)了。

那具體是怎么做到的呢？

事實(shí)上，路由器內(nèi)部同樣維護(hù)著一張表，這張表稱為【路由表】，記錄著每一個(gè)局域網(wǎng)（IP 地址段）和它對應(yīng)的端口。

比如某個(gè)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：

大伙一定發(fā)現(xiàn)了上面路由表中還有 ”下一跳“ 這個(gè)字段，很簡單，一個(gè)路由器的端口畢竟是有限的，不可能一個(gè)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(biāo)計(jì)算機(jī)的 IP 地址不在自己管轄的 IP 地址段之內(nèi)，就會(huì)通過下一跳地址轉(zhuǎn)發(fā)給其他的管轄這個(gè) 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(gè)子網(wǎng)：

如果是同一個(gè)子網(wǎng)，那么直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給交換機(jī)就可以了

如果不是同一個(gè)子網(wǎng)，那么需要經(jīng)過路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，A 需要把數(shù)據(jù)通過交換機(jī)發(fā)送給路由器，然后由路由器決定該發(fā)送給哪個(gè)子網(wǎng)

A 通過路由器給 C 發(fā)送消息

這里有兩個(gè)問題：

1）A 如何判斷是否和 C 在同一個(gè)子網(wǎng)？

答案：這個(gè)簡單，也不是本文重點(diǎn)，不過多介紹了，就是將源 IP 與目的 IP 分別同子網(wǎng)掩碼進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果相等就是在同一個(gè)子網(wǎng)

2）A 如何知道哪個(gè)設(shè)備是路由器？

答案：每個(gè)計(jì)算機(jī)上都要設(shè)置【默認(rèn)網(wǎng)關(guān)】

其實(shí)說發(fā)給路由器不準(zhǔn)確，應(yīng)該說 A 會(huì)把數(shù)據(jù)包發(fā)給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。

對 A 來說，A 只能直接把數(shù)據(jù)包發(fā)給同處于一個(gè)子網(wǎng)下的某個(gè) IP 上，所以其實(shí)發(fā)給路由器還是發(fā)給某個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備，對 A 來說并沒有什么區(qū)別，反正它只認(rèn)得 IP 地址。

所以默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，其實(shí)就是 A 在自己電腦里配置的一個(gè) IP 地址，以便在發(fā)給不同子網(wǎng)的設(shè)備時(shí)，發(fā)給這個(gè) IP 地址。

總結(jié)

如下圖 A 給 F 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，我們來梳理下整個(gè)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(jì)算出自己與 F（192.168.3.2）并不在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，于是決定發(fā)送給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)（192.168.0.222）

2）A 通過 ARP 協(xié)議找到 默認(rèn)網(wǎng)關(guān) 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(guān) 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(rèn)網(wǎng)關(guān)的 IP 地址，從始至終這個(gè)數(shù)據(jù)包的兩個(gè) IP 地址都是不變的，只有 MAC 地址在不斷變化）封裝在網(wǎng)絡(luò)層頭部，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包

報(bào)文格式

4）第一個(gè)交換機(jī)收到數(shù)據(jù)包后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo) MAC 地址是 MM-MM-MM-MM，轉(zhuǎn)發(fā)給第一個(gè)路由器

5）數(shù)據(jù)包來到了第一個(gè)路由器，發(fā)現(xiàn)其目標(biāo) 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(shí)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(gè)端口把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去

7）此時(shí)第二個(gè)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(zhǔn)備從該端口把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去

8）但此時(shí)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(gè)步驟確定的端口將包轉(zhuǎn)發(fā)出去。

9）如上圖所示，對應(yīng)的交換機(jī)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(yīng)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(dá)計(jì)算機(jī) F，F(xiàn) 發(fā)現(xiàn)目的 MAC 地址就是自己，于是收下了這個(gè)數(shù)據(jù)包

編輯：黃飛

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