計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)入門
如果現(xiàn)在有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的相互通信，你會(huì)怎么設(shè)計(jì)？
最簡(jiǎn)單的辦法，在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間拉一條線，計(jì)算機(jī)之間的通信就通過這條線來進(jìn)行。通信的方式就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0101這樣的二進(jìn)制高低電平信號(hào)通過這條線來傳播
如果現(xiàn)在不止兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，比如有五臺(tái)計(jì)算機(jī)，要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠使每臺(tái)計(jì)算機(jī)之間能夠兩兩通信的網(wǎng)絡(luò)，怎么設(shè)計(jì)？
很顯然，如果用直接拉線的方法，每?jī)膳_(tái)計(jì)算機(jī)之間拉一條線，那么隨著計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加，拉線的數(shù)量會(huì)越來越多，越來越復(fù)雜，成本也會(huì)越來越高
這時(shí)，我們就想到利用一個(gè)“中介”，所有計(jì)算機(jī)都拉一條線到這個(gè)“中介”上，再通過“中介”來轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就能大大減少拉線的數(shù)量，節(jié)省成本。這里就提出了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的思想——轉(zhuǎn)發(fā)的思想
既然有了“中介”，我們就可以通過中介來進(jìn)行通信，那么問題又來了，中介收到了你發(fā)給他的消息后，他怎么知道要轉(zhuǎn)發(fā)給誰(shuí)呢？
我們可以給網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)一個(gè)標(biāo)識(shí)，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的“身份證號(hào)”。這里就提出了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中另一個(gè)非常重要的思想——標(biāo)識(shí)的思想
比如1要發(fā)送消息給3，1首先要把消息發(fā)給中介，并且在消息中寫上收件人是3，中介拿到消息后把這條消息無條件地轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的所有計(jì)算機(jī)，其他計(jì)算機(jī)拿到消息一看，這不是發(fā)給我的，就直接丟棄了，只有3這臺(tái)計(jì)算機(jī)拿到一看，哦是給我的消息，于是就接收下來，這樣就建立了通信
這種無腦群發(fā)的通信方式稱為廣播
這種無腦轉(zhuǎn)發(fā)的“中介”是一個(gè)叫做集線器的設(shè)備，所使用的”線“是雙絞線，它是早期所使用的技術(shù)
如果網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出消息，那么集線器會(huì)同時(shí)收到兩束信號(hào)，這兩束信號(hào)可能會(huì)雜糅在一起，造成沖突，怎么處理這個(gè)問題呢？
針對(duì)這個(gè)問題，提出了一種協(xié)議——CSMA/CD協(xié)議。這個(gè)協(xié)議可以讓這些計(jì)算機(jī)在發(fā)送前先進(jìn)行載波偵聽，就是先檢測(cè)一下這個(gè)鏈路上有沒有其他人正在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒有的話我再發(fā)送
這就是CSMA/CD協(xié)議最重要的功能，即防止沖突
很明顯，集線器設(shè)備的這種”無腦轉(zhuǎn)發(fā)“的方式雖然簡(jiǎn)單粗暴，但是有很多缺點(diǎn)——效率低下、通信資源利用率低、不安全。怎么解決這個(gè)問題？
在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)可以采取另一種方式，中介拿到消息不是無腦散播出去，而是拿起來看一看收件人是誰(shuí)，哦是給3的消息，于是就將消息轉(zhuǎn)發(fā)給3，這樣的方式明顯效率更高，而且更加安全
這種方式也是現(xiàn)在所采用的技術(shù)，這里的”中介“叫做交換機(jī)
交換機(jī)就比集線器聰明嗎？它在轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候怎么知道哪根線是3的？
交換機(jī)比集線器先進(jìn)的地方在于，它設(shè)置了記錄的機(jī)制。剛開始它和集線器一樣，收到消息后也不知道要走哪條線，就直接無腦轉(zhuǎn)發(fā)。但是集線器不善于歸納總結(jié)，非常死板，一直無腦轉(zhuǎn)發(fā)。而交換機(jī)就不一樣了，在1號(hào)發(fā)來消息時(shí)，他就知道了原來這個(gè)端口連接的是1號(hào)，他就在表中記錄：1號(hào)對(duì)應(yīng)xx端口。同時(shí)，在無腦轉(zhuǎn)發(fā)后，他發(fā)現(xiàn)只有一條線上的計(jì)算機(jī)接收了消息，其他線上的計(jì)算機(jī)都把數(shù)據(jù)丟棄了。這樣他就明白了，哦原來這個(gè)連著這個(gè)端口的線是通向3這臺(tái)計(jì)算機(jī)的，于是他就在表中記錄：3號(hào)對(duì)應(yīng)xx端口。那么當(dāng)下一次有消息要發(fā)給3號(hào)時(shí)，交換機(jī)在表中一查，就知道要走哪條線了，就不需要無腦群發(fā)了
那么，如果下一次有消息要發(fā)給2號(hào)呢？交換機(jī)在表中一查，誒？沒查到！那就和之前一樣，無腦群發(fā)，看誰(shuí)接收了，再記錄到表中。這樣循環(huán)往復(fù)，發(fā)給誰(shuí)走哪條線，對(duì)于交換機(jī)來說就一清二楚了
在實(shí)際中，給計(jì)算機(jī)的標(biāo)識(shí)當(dāng)然不是像1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)這么簡(jiǎn)單，而是采用MAC地址，MAC地址是每個(gè)網(wǎng)卡在出廠時(shí)就已經(jīng)寫死的，也就是說，MAC地址就是網(wǎng)卡的地址。將網(wǎng)卡插在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)就能參與網(wǎng)絡(luò)，所以這里的標(biāo)識(shí)標(biāo)的是網(wǎng)卡而不是計(jì)算機(jī)
交換機(jī)記錄表記錄的是MAC地址與交換機(jī)端口的映射關(guān)系，這個(gè)記錄表稱為交換表或MAC地址表
使用交換機(jī)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生沖突的問題呢？又是如何解決這個(gè)問題的呢？
交換機(jī)不會(huì)產(chǎn)生沖突的問題。集線器采用的是雙絞線，而交換機(jī)采用的是我們現(xiàn)在的網(wǎng)線，網(wǎng)線中是有八根線的，正常情況下至少有四根線在工作，這種方式可以實(shí)現(xiàn)某臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)在發(fā)消息也同時(shí)在收消息（走不同的線即可）
這種能夠同時(shí)在發(fā)消息也同時(shí)在收消息的通信稱為全雙工通信
而集線器這種可以發(fā)消息也可以收消息但不能同時(shí)進(jìn)行的通信稱為半雙工通信
當(dāng)然還有一種，一方只能發(fā)消息，另一方只能收消息的通信稱為單工通信
交換機(jī)可以連接交換機(jī)嗎？如果可以連接，那又是怎樣建立表的呢？
交換機(jī)可以連接交換機(jī)，這種連接稱為交換機(jī)的橋接
舉個(gè)例子，MAC1，MAC2，MAC3對(duì)應(yīng)的三臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在交換機(jī)1上，分別接入端口1，2，3；MAC4，MAC5對(duì)應(yīng)的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在交換機(jī)2上，分別接入端口1’，2’；交換機(jī)1的端口4和交換機(jī)2的端口3’相連接
那么對(duì)于交換機(jī)1來說，MAC1，MAC2，MAC3之間相互發(fā)送消息就會(huì)使交換機(jī)1記錄下MAC地址與端口的映射關(guān)系，即{MAC1:1,MAC2:2,MAC3:3}
當(dāng)MAC1發(fā)送消息給MAC4時(shí)，交換機(jī)1收到MAC1發(fā)來的消息，一看是發(fā)給MAC4的，他就在表中找MAC4對(duì)應(yīng)的是走哪個(gè)端口啊。誒？找不到！但是他可以判斷出肯定不是端口1，2，3的，因?yàn)槎丝?，2，3在表中都記錄了，都不是MAC4，所以他會(huì)走除了1，2，3的其他端口進(jìn)行群發(fā)。這個(gè)消息從端口4傳到交換機(jī)2那里，交換機(jī)2又在他的表中找，不管找沒找到，反正最后消息會(huì)發(fā)到MAC4那里，這時(shí)交換機(jī)1就檢測(cè)到哦原來只有端口4那條線接收了消息，所以就記錄MAC4:4
那如果MAC1發(fā)給MAC5呢？一樣的道理，最終結(jié)果也是只有端口4那條線接收了消息，所以交換機(jī)1記錄MAC5:4。這樣，不管是發(fā)給MAC4還是MAC5，交換機(jī)都會(huì)走端口4，發(fā)送給交換機(jī)2，再由交換機(jī)2去轉(zhuǎn)發(fā)
發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC地址記錄在哪里呢？
MAC地址記錄在數(shù)據(jù)的頭部，就像寄信的時(shí)候把地址寫在信封上一樣
其實(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是分層的，不同的層分管不同的任務(wù)，完成不同的功能，提供不同的服務(wù)
計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候需要先在數(shù)據(jù)頭部加上MAC地址再發(fā)送，負(fù)責(zé)加MAC地址的就是數(shù)據(jù)鏈路層，而負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0101這樣的電信號(hào)的就屬于物理層。同時(shí)，交換機(jī)需要收到電信號(hào)要將其解析成數(shù)據(jù)，這個(gè)工作也是屬于物理層的。交換機(jī)還需要從解析得到的數(shù)據(jù)的頭部提取MAC地址，這個(gè)工作是屬于數(shù)據(jù)鏈路層的
因此，物理層負(fù)責(zé)的是搞電信號(hào)和數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換的，數(shù)據(jù)鏈路層是搞MAC地址的
集線器無腦轉(zhuǎn)發(fā)，不搞MAC地址，交換機(jī)要處理MAC地址，所以集線器工作在物理層，交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層
之前提出了CSMA/CD協(xié)議是處理沖突的協(xié)議，他是工作在物理層的
一般來說MAC地址表能存的數(shù)量是幾千，雖然已經(jīng)比直接拉線效率高很多了，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)還是有很大的距離。那么我們還能夠怎樣進(jìn)行改進(jìn)呢？
如果只是使用交換機(jī)來連接全球計(jì)算機(jī)，那么當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出消息時(shí)，第一個(gè)交換機(jī)找不到，就會(huì)廣播到下面幾個(gè)交換機(jī)，還找不到就會(huì)再?gòu)V播、再?gòu)V播……一條消息發(fā)出去差不多要把全球的計(jì)算機(jī)遍歷一遍，這種現(xiàn)象被稱為消息洪泛
顯然，交換機(jī)只能適用于小范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)需要采取其他的措施
這里可以引入一些概念，網(wǎng)絡(luò)按照范圍來分類，可以分成個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。個(gè)域網(wǎng)一般是個(gè)人的一些設(shè)備比如電腦、手機(jī)、打印機(jī)相連組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；局域網(wǎng)就范圍稍大一些，比如公司網(wǎng)、校園網(wǎng)；城域網(wǎng)的范圍就擴(kuò)大到一個(gè)城市或幾個(gè)城市；廣域網(wǎng)是最大范圍
交換機(jī)在局域網(wǎng)中還是比較高效的，但范圍再擴(kuò)大時(shí)就力不從心了
這時(shí)候我們就可以把視角放大一點(diǎn)，既然交換機(jī)在局域網(wǎng)中是非常高效的，那么我們就在各個(gè)區(qū)域用交換機(jī)來連接成一個(gè)個(gè)局域網(wǎng)，然后想辦法讓多個(gè)局域網(wǎng)連接起來。想一想當(dāng)初如何聯(lián)通多個(gè)計(jì)算機(jī)的？對(duì)，就是通過中介！依照這個(gè)思路，我們可以再設(shè)置一個(gè)更高級(jí)別的中介，這個(gè)中介負(fù)責(zé)把多個(gè)局域網(wǎng)連接起來。
這個(gè)更高級(jí)別的中介就叫路由器
計(jì)算機(jī)1與同屬于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的計(jì)算機(jī)2進(jìn)行通信時(shí)，直接走交換機(jī)即可；如果計(jì)算機(jī)1要與其他網(wǎng)絡(luò)下的計(jì)算機(jī)3進(jìn)行通信，就必須通過交換機(jī)轉(zhuǎn)到路由器接入到其他網(wǎng)絡(luò)，再?gòu)钠渌W(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)3上建立通信
不同的網(wǎng)絡(luò)又稱為子網(wǎng)、網(wǎng)段
路由器又是如何怎么知道他要轉(zhuǎn)發(fā)給誰(shuí)呢？
在交換機(jī)那里我們提出了MAC地址，用于標(biāo)識(shí)連接進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的各臺(tái)設(shè)備（我們之前舉得例子都是計(jì)算機(jī)，實(shí)際上手表、手機(jī)、甚至音響等等都可以作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)）。在這里，我們需要一個(gè)新的標(biāo)識(shí)，來標(biāo)識(shí)各網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槁酚善魇歉骶W(wǎng)絡(luò)的中介，這里所引進(jìn)的標(biāo)識(shí)就是IP協(xié)議下的IP地址
而與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同的是，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)抽象的概念，并沒有規(guī)定大小有多大，也沒有劃定地理范圍在哪里，因此這個(gè)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的地址也必須是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在發(fā)送消息時(shí)順帶發(fā)送出去的。
IP地址不僅僅標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也標(biāo)識(shí)了設(shè)備。與MAC地址的處理方法一樣，IP地址也是加在所要發(fā)送的數(shù)據(jù)的頭部。路由器接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)，也需要從中提取出IP地址。同樣的，路由器也采用了交換機(jī)的策略，建立了映射表，這個(gè)表稱為路由表，但不同的是，這個(gè)路由表的建立并不是像交換機(jī)那么簡(jiǎn)單，查不到就廣播，而是有更加復(fù)雜的路由算法得到，這一點(diǎn)我們了解即可，這里就不再深究
我們發(fā)現(xiàn)這里又多出了一層，這一層是專門搞IP地址的，稱為網(wǎng)絡(luò)層
因此，路由器是工作在網(wǎng)絡(luò)層的，IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層下的一個(gè)協(xié)議
IP地址是怎么做到既標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，又標(biāo)識(shí)設(shè)備的呢？
IP地址由4位0-255的十進(jìn)制數(shù)組成，對(duì)應(yīng)32位二進(jìn)制數(shù)，比如192.168.0.1就是一個(gè)IP地址。
同時(shí)，在IP地址中又分為網(wǎng)絡(luò)位和主機(jī)位，網(wǎng)絡(luò)位標(biāo)識(shí)了網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)位標(biāo)識(shí)了在該網(wǎng)絡(luò)下的設(shè)備。
網(wǎng)絡(luò)位和主機(jī)位的劃分通過子網(wǎng)掩碼來完成，子網(wǎng)掩碼與IP地址一樣，也是32位二進(jìn)制數(shù)，子網(wǎng)掩碼取1的部分為網(wǎng)絡(luò)位，子網(wǎng)掩碼取0的部分為主機(jī)位
從屬于同一網(wǎng)絡(luò)下的各設(shè)備擁有相同的網(wǎng)絡(luò)位，從屬于不同網(wǎng)絡(luò)下的各設(shè)備就有不同的網(wǎng)絡(luò)位。這樣就用IP地址+子網(wǎng)掩碼做到了既標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，又標(biāo)識(shí)設(shè)備
既然IP地址又標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)又標(biāo)識(shí)設(shè)備，那還需要MAC地址嗎？
這里我們要注意，IP地址是網(wǎng)絡(luò)層的提出的標(biāo)識(shí)概念，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸過程仍然走的是MAC地址
路由器也是有MAC地址的，在數(shù)據(jù)鏈路層范疇內(nèi)，路由器與其他參與網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備沒有任何區(qū)別，交換機(jī)一樣會(huì)把路由器當(dāng)作一個(gè)有MAC地址的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸
既然數(shù)據(jù)傳輸過程仍然走的是MAC地址，那么IP地址是怎么轉(zhuǎn)換成MAC地址的呢？基于網(wǎng)絡(luò)層的通信過程又是什么樣的呢？
APR協(xié)議可以使IP地址轉(zhuǎn)換成MAC地址，首先設(shè)備會(huì)發(fā)出ARP廣播，詢問哪臺(tái)設(shè)備的IP地址是這個(gè)啊，每臺(tái)設(shè)備都會(huì)收到消息，IP地址是這個(gè)的設(shè)備收到消息后就回應(yīng)，我的IP地址是這個(gè)，然后我的MAC地址是這個(gè).……這樣就完成了IP地址到MAC地址的轉(zhuǎn)換
比如網(wǎng)絡(luò)1的IP為192.168.0.0/24，屬于網(wǎng)絡(luò)1下的設(shè)備1IP為192.168.0.102；網(wǎng)絡(luò)2的IP為192.168.1.0/24，屬于網(wǎng)絡(luò)2下的設(shè)備2IP為192.168.1.254。路由器中連接網(wǎng)絡(luò)1的端口IP為192.168.0.1，連接網(wǎng)絡(luò)2的端口IP為192.168.1.52，所以路由器的原理實(shí)際上就是有多個(gè)屬于不同網(wǎng)絡(luò)下的端口IP，相當(dāng)于黑道白道通吃的中間人角色
設(shè)備1向設(shè)備2發(fā)出數(shù)據(jù)，首先網(wǎng)絡(luò)層會(huì)在數(shù)據(jù)前加頭部，頭部中包含源IP地址0.10和目的IP地址1.254；之后數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)前加頭部，由于目的IP地址與源IP地址不在同一網(wǎng)段下，因此目的MAC地址為路由器端口0.1的MAC地址；數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善鞫丝?后，經(jīng)過解析和重新封裝，目的IP地址和源IP地址不變，源MAC地址變?yōu)槎丝?.1的MAC地址，目的MAC地址變?yōu)?.52的MAC地址；傳到端口2后，路由器再次對(duì)其解析和重新封裝，目的IP地址和源IP地址不變，對(duì)于MAC地址，路由器發(fā)出ARP廣播，得到目的MAC地址為1.254的MAC地址，源MAC地址為1.52的MAC地址，最終數(shù)據(jù)成功發(fā)送到設(shè)備2
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