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从物理层到 MAC 层

发布于 2023-12-27 21:55:42 字数 20934 浏览 0 评论 0 收藏 0

物理层

现在的同学可能想不到,我们当时去学校配电脑的地方买网线,卖网线的师傅都会问,你的网线是要电脑连电脑啊,还是电脑连网口啊?

我们要的是电脑连电脑。这种方式就是一根网线,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。但是在当时,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。这里我想问你一个问题,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。可以玩联机局域网游戏啦!

如果需要三台电脑互联呢?

先别说交换机,当时交换机也贵。有一个叫作 Hub 的东西,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。

数据链路层

你可能已经发现问题了。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。控制什么呢?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。就像车管所管束马路上跑的车,能想的办法都想过了。

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。

解决了第二个问题,就是解决了媒体接入控制的问题,MAC 的问题也就解决好了。这和 MAC 地址没什么关系。

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。于是将请求提交给 nginx,nginx 返回一个网页。然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装,最后到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址,返回的时候,源 MAC 就变成了目标 MAC,再返给请求的机器。

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

在一个局域网里面,当知道了 IP 地址,不知道 MAC 怎么办呢?靠“吼”。

广而告之,发送一个广播包,谁是这个 IP 谁来回答。具体询问和回答的报文就像下面这样:

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

前面所说的MAC地址解决了集线器在广播数据包时,每个人都收到了数据包,谁真正接收的问题。但是使用集线器搭建的局域网仍然存在问题,由于它每次接收的数据包,都会广播给其它所有端口,那么在机器数量上升时,带宽的利用率会大幅下降。看来集线器这种不管三七二十一都转发的设备是不行了,需要点儿智能的。因为每个口都只连接一台电脑,这台电脑又不怎么换 IP 和 MAC 地址,只要记住这台电脑的 MAC 地址,如果目标 MAC 地址不是这台电脑的,这个口就不用转发了。

谁能知道目标 MAC 地址是否就是连接某个口的电脑的 MAC 地址呢?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,按第二节课中讲过的,这个设备显然是个二层设备,我们称为交换机

交换机的作用就是根据MAC地址转发到一个指定的端口上,而不是采用集线器的广播方式

交换机怎么知道每个口的电脑的 MAC 地址呢?这需要交换机会学习。

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。但是,这个时候,交换机会干一件非常聪明的事情,就是交换机会记住,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。

当交换机作为一个关卡一样,过了一段时间之后,就有了整个网络的一个结构了,这个时候,基本上不用广播了,全部可以准确转发。当然,每个机器的 IP 地址会变,所在的口也会变,因而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。

有了交换机,一般来说,你接个几十台、上百台机器打游戏,应该没啥问题。你可以组个战队了。能上网了,就可以玩网游了。

总结

  • ARP协议:已知 IP 地址,求 MAC 地址的协议,它采用广播的方式,询问所有机器指定IP的MAC地址。
  • 集线器:一层设备,当一个网口接收到数据包,会将这个数据包转发到所有端口。
  • 交换机:二层设备,交换机不同于集线器具有学习功能,它会记住所有端口分别对应哪一个MAC地址,然后根据MAC地址转发到指定端口上,大大节省局域网贷款。

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