网络原理分析

本文从大佬闪客SUN的博客阅读后整理而来，主要是为了自己加深理解，原文更加直观和易懂

物理层：

1. 初始状态：几台电脑两两直连通讯，很简单

2. 复杂状态：加入电脑过多，两两直连导致接口电脑接口不够，出现了hub来解决

   hub：集中器（类似于村里的广场，大家都到这里来交流）。

   原理：所有电脑都连一个hub，要给某台电脑发消息时，消息先发给hub，然后由hub（类似于通过村里的大喇叭）广播给其他电脑。

   引申：每个人都会接收很多广播消息，而且不知道哪些是属于自己的。所以给每个发送的消息都带上了发送人、接收人唯一标识（MAC地址）。类似于邮件的发件人、收件人。以后再收到广播消息时，只看收件人是自己的消息，其他的消息自动丢弃。

3. 缺点：

   1. 消息所有人都能接收到，不安全。
   2. 大量无用的消息在网络上，浪费网络资源。

数据链路层：

1. 为解决物理层的问题，将hub升级为交换机：转发消息时，只会给接收人MAC地址发（精准投递）

2. 为了精准投递，需要一张MAC地址表来记录每台电脑是和哪个端口对应，格式为：MAC地址——电脑连接的端口号

   原理：A给B发送一条消息，交换机根据MAC地址表，将消息只发送给B连接交换机的端口即可，不需要全员广播。

3. MAC地址表如何建立：

   初始化：空表，表头为：MAC地址——端口号

   生成数据：

   1. 交换机转发消息，发现收件人的MAC地址不在表中，则进行全体端口广播；
   2. 正确的接收者收到后进行响应（签收确认），交换机记录响应电脑的MAC地址和端口，将数据插入都表中；

4. 以太网：由这样传输方式而组成的小范围的网络

   以太网和因特网的区别：以太网是局域网，因特网是广域网

5. 缺点：

   1. 加入的电脑越来越多，一台交换机的端口已经不能连上所有电脑

      解决方式：

      1. 设置多台交换机，组成多个单独以太网
      2. 将多个单独以太网连接，组成更大的以太网

   2. 随着千万级电脑的加入，MAC地址表数量指数级提升，效率下降，一张表不可能穷尽所有的地址映射；

网络层（IP协议）：

1. 为解决数据链路层交换机的问题，将所有交换机都连到路由器上，由路由器接收、分发交换机之间的消息；

2. 路由器不仅有自己的MAC地址，而且每一个端口都有独立的MAC地址；

3. 路由器有路由表，格式为：目的IP——子网掩码——端口

4. 路由器根据目的IP进行子网的换算，然后从映射的端口转发消息；

5. TCP/IP协议：

   TCP协议类似于快递打包规范，将数据按照特定的格式打包、解包，保证解包后数据能还原，且没有损坏。

   IP协议类似于物流规范，将打好的数据包，通过网络（IP地址、路由器、交换机）送达给指定接收者。

总结：

电脑视角：

• 首先我要知道我的 IP 以及对方的 IP
• 通过子网掩码判断我们是否在同一个子网
• 在同一个子网就通过 arp 获取对方 mac 地址直接扔出去
• 不在同一个子网就通过 arp 获取默认网关的 mac 地址直接扔出去

交换机视角：

• 我收到的数据包必须有目标 MAC 地址
• 通过 MAC 地址表查映射关系
• 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去
• 查不到就所有端口都发出去

路由器视角：

• 我收到的数据包必须有目标 IP 地址
• 通过路由表查映射关系
• 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去（不在任何一个子网范围，走其路由器的默认网关也是查到了）
• 查不到则返回一个路由不可达的数据包

如果你嗅觉足够敏锐，你应该可以感受到下面这句话：

网络层（IP协议）本身没有传输包的功能，包的实际传输是委托给数据链路层（以太网中的交换机）来实现的。

涉及到的三张表分别是

• 交换机中有 MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口
• 路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口
• 电脑和路由器中都有 arp 缓存表用于缓存 IP 和 MAC 地址的映射关系