网络协议笔记（二）链路层和网络层（1）

四、从物理层到 MAC层

第一层（物理层）

网线，有两个头。一头插在一台电脑的网卡上，另一头插在另一台电脑的网卡上。普通的网线这样是通不了的，所以水晶头要做交叉线，用的就是所谓的1－3、2－6 交叉接法。水晶头的第 1、2 和第 3、6 脚，它们分别起着收、发信号的作用。将一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

当然电脑连电脑，除了网线要交叉，还需要配置这两台电脑的 IP 地址、子网掩码和默认网关。这三个概念上一节详细描述过了。要想两台电脑能够通信，这三项必须配置成为一个网络，可以一个是 192.168.0.1/24，另一个是 192.168.0.2/24，否则是不通的。

两台电脑之间的网络包，包含 MAC 层吗？当然包含，要完整。IP层要封装了 MAC 层才能将包放入物理层。到此为止，两台电脑已经构成了一个最小的局域网，也即LAN。

怎么把三台电脑连在一起呢？Hub，也就是集线器。这种设备有多个口，可以将宿舍里的多台电脑连接起来。但是，和交换机不同，集线器没有大脑，它完全在物理层工作。它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去。这是第一层物理层联通的方案。

第二层（数据链路层）

Hub 采取的是广播的模式，如果每一台电脑发出的包，宿舍的每个电脑都能收到，那就麻烦了。这就需要解决几个问题：

1. 这个包是发给谁的？谁应该接收？
2. 大家都在发，会不会产生混乱？有没有谁先发、谁后发的规则？
3. 如果发送的时候出现了错误，怎么办？

这几个问题，都是第二层，数据链路层，也即 MAC 层要解决的问题。MAC的全称是Medium Access Control，即媒体访问控制。其实就是控制在往媒体上发数据的时候，谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。这解决的是第二个问题。这个问题中的规则，学名叫多路访问。 有很多算法可以解决这个问题。比如接下来这三种方式：

1. 分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分；
2. 今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议；
3. 不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这个方式。

接下来要解决第一个问题：发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常被称为MAC 地址。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，就是目标的MAC 地址和源的 MAC 地址。

接下来是类型，大部分的类型是 IP 数据包，然后 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP等，这都是里层封装的事情。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，发现端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是监听 80。

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，主要解决第三个问题。

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，可以将目标地址放入包里面，如果不知道呢？一个广播的网络里面接入了 N 台机器，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。

为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

局域网

上面这种组网的方法，对一个宿舍来说没有问题，但是一旦机器数目增多，问题就出现了。因为Hub 是广播的，不管某个接口是否需要，所有的 Bit 都会被发送出去，然后让主机来判断是不是需要。这时这就需要一个能把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，我们称为交换机，这个设备显然是个二层设备。

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 的电脑在哪个口，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。这个时候，交换机会记住，MAC1 是来自一个明确的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的，直接发送到这个口就可以了。交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。

五、交换机与 VLAN

拓扑结构是怎么形成的？

多台交换机之间连接起来，就形成一个稍微复杂的拓扑结构。
一个交换机代表着一个局域网，交换机互联就是局域网互联。

如何解决常见的环路问题？

一开始，机器 1 并不知道机器 2 的 MAC 地址，所以它需要发起一个 ARP 的广播。广播到达机器 2，机器 2 会把 MAC 地址返回来，但是问题来了，这两个交换机还是都能够收到广播包的。交换机 A 一开始是不知道机器 2在哪个局域网的，所以它会把广播消息放到局域网二，在局域网二广播的时候，交换机 B右边这个网口也是能够收到广播消息的。交换机 B 会将这个广播息信息发送到局域网一。局域网一的这个广播消息，又会到达交换机 A 左边的这个接口。交换机 A 这个时候还是不知道机器 2 在哪个局域网，于是将广播包又转发到局域网二。这样也会破环交换机学习的转发表。

STP协议中那些难以理解的概念

在数据结构中，有一个方法叫作最小生成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作STP，全称Spanning Tree Protocol。

1. Root Bridge，也就是根交换机。这个比较容易理解，可以比喻为“掌门”交换机，是某棵树的老大，是掌门，最大的大哥。
2. Designated Bridges，有的翻译为指定交换机。这个比较难理解，可以想像成一个“小弟”，对于树来说，就是一棵树的树枝。所谓“指定”的意思是，我拜谁做大哥，其他交换机通过这个交换机到达根交换机，也就相当于拜他做了大哥。这里注意是树枝，不是叶子，因为叶子往往是主机。
3. Bridge Protocol Data Units （BPDU） ，网桥协议数据单元。可以比喻为“相互比较实力”的协议。行走江湖，比的就是武功，拼的就是实力。当两个交换机碰见的时候，也就是相连的时候，就需要互相比一比内力了。BPDU 只有掌门能发，已经隶属于某个掌门的交换机只能传达掌门的指示。
4. Priority Vector，优先级向量。可以比喻为实力 （值越小越牛）。实力是啥？就是一组ID 数目，[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, and Port ID]。为什么这样设计呢？这是因为要看怎么来比实力。先看 Root Bridge ID。拿出老大的 ID 看看，发现掌门一样，那就是师兄弟；再比 Root Path Cost，也即我距离我的老大的距离，也就是拿和掌门关系比，看同一个门派内谁和老大关系铁；最后比 Bridge ID，比我自己的 ID，拿自己的本事比。

STP的工作过程是怎样的？

一开始，所有的交换机都认为自己是掌门，每个网桥都被分配了一个 ID。这个 ID 里有管理员分配的优先级，当然网络管理员知道哪些交换机贵，哪些交换机好，就会给它们分配高的优先级。
既然都是掌门，互相都连着网线，就互相发送 BPDU 来比功夫呗。赢的接着当掌门，输的就只好做小弟了。当掌门的还会继续发BPDU，而输的人就没有机会了。它们只有在收到掌门发的 BPDU 的时候，转发一下，表示服从命令。

1. 掌门遇到掌门
   输掉的掌门会率领所有的小弟归顺。赢得成为大掌门。
2. 同门相遇
   同门相遇可以是掌门与自己的小弟相遇，这说明存在“环”了。
   同门相遇还可以是小弟相遇。这个时候就要比较谁和掌门的关系近，当然近的当大哥。
3. 掌门与其他帮派小弟相遇
   小弟拿本帮掌门和这个掌门比较，赢了，这个掌门拜入门来。输了，会拜入新掌门，并且逐渐拉拢和自己连接的兄弟，一起弃暗投明。
4. 不同门小弟相遇

如何解决广播问题和安全问题？

有两种分的方法，一个是物理隔离。就是每个部门有单独的交换机，配置单独的子网，这样不同子网之间的沟通就需要路由器了。
另外一种方式是虚拟隔离，就是用我们常说的VLAN，或者叫虚拟局域网。使用 VLAN，一个交换机上会连属于多个局域网的机器。

只需要在原来的二层的头上加一个 TAG，里面有一个 VLAN ID，一共 12 位。为什么是 12 位呢？因为 12 位可以划分 4096 个 VLAN。
如果我们买的交换机是支持 VLAN 的，当这个交换机把二层的头取下来的时候，就能够识别这个 VLAN ID。这样只有相同 VLAN 的包，才会互相转发，不同 VLAN 的包，是看不到的。这样广播问题和安全问题就都能够解决了。
对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。