二层网络三层网络理解

ISO七层网络模型

ISO七层网络模型大概作用如下：

• 物理层：物理层主要是用来处理光电信号的，例如网卡，光纤，网线等等，这些都是物理层需要考虑的地方；
• 链路层：由光电信号组成的数据，在数据链路层，被逻辑地划分成一帧一帧地数据以便管理，这一层是数据交换的主要层面，交换的依据是网卡MAC地址，进行数据交换需要定义信号帧格式，就有了以太网，需要在主机间交换数据，就有了交换机和集线器；因此以太网，交换机以及集线器都是这一层要考虑的；
• 网络层：网络层是比数据链路层更高一级的逻辑层，在这一层工作的主要是路由器，路由器是基于IP地址进行跨网链路的计算；
• 传输层：传输层是用来控制网络层的数据传输的，提供了TCP和UDP两种机制来确保数据网络间传输的可靠性，这样写代码的就只需要打开socket套接字，便可以在网络连接的状态下传输数据；
• 表示层：
• 会话层：
• 应用层：应用层是最高协议层，这一层主要是软件自定义的一些协议，如HTTP协议，websocket协议，远层登录SSH协议等;

二层网络和三层网络

上面写的七层网络中，物理层，数据链路层和网络层是低三层网络，其余四层是高三层网络，其中二层网络指的就是数据链路层，三层网络指的就是网络层，这两者使我们需要重点理解的地方。

在数据链路层，物理信号以帧为单位进行组织，而每帧信号都需要一个目标地址和一个源地址，该地址基本上使用的是网卡MAC地址，在一层工作的主要是集线器和交换机，集线器会将所有帧信号投放到各个端口，因此连接端口的主机会收到很多没有意义的数据帧，这将造成集线器和主机之间信道冲突剧烈，因此集线器一般情况下使用较少，而交换机具有MAC地址学习记忆功能，能够准确的将数据帧投放到指定端口，从而大大地提高了数据传输效率；而在L2层，数据只能在一个子网间进行交换，如果要跨子网传输数据，则需要借助L3层的路径规划功能，也就是路由器的工作原理；

假设现有如下网络拓扑图，ABCD四台主机属于10.0.0.0子网，网关指向路由器1的10.0.0.1，EFGH四台主机属于10.0.1.0子网，网关指向路由器2的10.0.1.1；

网络拓扑图

同一子网通信

先看同一子网内通信情况，A向C发送数据，这种情况下都是ip指定的，假设所有主机，交换机和路由器都刚刚通电，没缓存任何MAC映射和路由表。A在向C发送数据之前，是知道C的ip地址，发现它俩在同一物理子网，于是A试图在物理子网内来寻找C,但是在物理子网内寻址是通过MAC地址的，A并不知道C的MAC地址，于是A发送了一个ARP广播包，ARP广播用的地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff,包内容如下：

源MAC	目标MAC	源IP	目标IP
xx:xx:xx:xx:xx:aa	ff:ff:ff:ff:ff:ff	10.0.0.2	10.0.04

交换机收到ARP广播后，首先会学习到主机A是连接到1端口的，然后缓存起来，同时在缓存中查找C的MAC地址，没找到便将这个广播包从所有端口发出去(1端口除外)，交换机2收到广播包后，也会在缓存中查找C的MAC地址，没找到同样进行转发，其中B，D主机收到广播包后发现和自己无关便丢弃，而C收到广播后便会进行回应，来告知自己的身份，内容格式如下：

源MAC	目标MAC	源IP	目标IP
xx:xx:xx:xx:xx:ac	xx:xx:xx:xx:xx:aa	10.0.0.4	10.0.0.2

这个对于参与的交换机也是个学习的过程，在过程中记忆了主机A和主机C的ip地址和mac地址，AC找到彼此后，便可以在同一子网内依靠mac地址进行相互通信，格式如下：

	源MAC	目标MAC	源IP	目标IP
C--->A	xx:xx:xx:xx:xx:ac	xx:xx:xx:xx:xx:aa	10.0.0.4	10.0.0.2
A--->C	xx:xx:xx:xx:xx:aa	xx:xx:xx:xx:xx:ac	10.0.0.2	10.0.0.4

跨物理子网通信

同样假设所有设备都刚刚通电，没有缓存任何信息，这时A向E发送数据，A是知道E的ip地址，发现属于同一网段，同样不知道E的mac地址，于是A同样发送ARP广播包,BCD没有响应，但是路由器1收到广播后，为了避免广播风暴，会把自己的mac地址告诉A，格式如下：

源MAC	目标MAC	源IP	目标IP
xx:xx:xx:xx:xx:ca	xx:xx:xx:xx:xx:aa	10.0.0.1	10.0.0.2

A等待超时后，会知道E不在当前物理子网内，于是会向路由器1发送数据包，路由器收到数据包后，发现没有缓存E的ip地址，于是路由器1开始寻找E的过程。相比较交换机的广播找人，路由器寻址的空间范围更大，很多情况下是整个internet网络，要跨很多网络运营商，因此L3层面路由器的路径寻址计算协议涉及很多，例如：RIP、OSPF、IS-IS、BGP、IGRP等协议。路由器计算路径时，是无法窥探整个互联网的，因此每台路由器都是通过路由算法找到下一跳的最优路径，这些最优路径汇集起来就是完整的寻址路径，换句话说，路由器的转发路径不是一台路由器选出来的，而是很多路由器共同选择出来的最优下一跳地址序列；在这里为了解释原理，假设路由器1直接找到了路由器2。

这样路由器1开始想路由器2发送数据包，路由器2便开始在自己的物理子网内寻找E,进过一次广播后，发现E在自己子网内，于是向前一跳，找到离自己最近的路由器1，反馈自己离E主机最近，最终经过“A->广播->路由器->路由器寻址->找到E主机所在子网”过程的A,便可以和E进行通信了。由于A和E之间经历了多个物理子网，因此需要经历多次L2的转发才能实现数据包的转达，在这个过程中，ip包外包的数据帧中的mac地址是不断变换的。在A-E-A的过程中，数据帧和IP包的地址经历了如下过程(假设A的通信端口是88，而E的是99)：
去包：

	源MAC	目标MAC	源IP	目标IP	源端口	目的端口	用户数据	帧尾
A--->路由1	xx:xx:xx:xx:xx:aa	xx:xx:xx:xx:xx:ca	10.0.0.2	10.0.0.6	88	99	.....	....
路由1--->路由2	xx:xx:xx:xx:xx:cb	xx:xx:xx:xx:xx:cc	10.0.0.2	10.0.0.6	88	99	...	.....
路由2--->E	xx:xx:xx:xx:xx:cd	xx:xx:xx:xx:xx:ae	10.0.0.2	10.0.0.6	88	99	...	.....

回包:

	源MAC	目标MAC	源IP	目标IP	源端口	目的端口	用户数据	帧尾
E--->路由2	xx:xx:xx:xx:xx:ae	xx:xx:xx:xx:xx:cd	10.0.0.6	10.0.0.2	99	88	...	.....
路由2--->路由1	xx:xx:xx:xx:xx:cc	xx:xx:xx:xx:xx:cb	10.0.0.6	10.0.0.2	99	88	...	.....
路由1--->A	xx:xx:xx:xx:xx:ca	xx:xx:xx:xx:xx:aa	10.0.0.6	10.0.0.2	99	88	.....	....

数据包在路由1和2中的1，4端口中进行转发时，因为是在设备内部，因此可以直接转发，不用变换帧头，从而提高效率，另外如果A向其他子网的FGH发送数据时，过程基本上一样，只不过不会通过广播寻址，而是直接将数据包发送给路由器出口网关。

参照了：https://blog.csdn.net/cj2580/article/details/80107037