作者：一天，本文首發于公眾號：網絡之路博客

 前言

前面講解了一個網址訪問中的通信過程，接下來幾篇來把這個過程里面一些細節的地方講解下，這些完畢后就開始正式進入路由交換的內容了。相信大家都玩過單機游戲，記得博主最早開始喜歡玩像CS、半條命、帝國時代、魔獸爭霸3、英雄無敵這些單機游戲，后來選了計算機專業后，為了更好的學習在第二學期購買了臺筆記本，中午跟晚上就喜歡跟宿舍的人一起玩這種聯機游戲，下面就從這樣的故事來進入今天的主題內容。

 我們能接觸到的物理層

兩臺電腦進行聯機，那勢必需要用網線把兩個電腦的網卡連接起來，大家都知道，直接電腦店買一根多少米的，接在一起就完事了，但是在早期其實不是這樣的，你去電腦店購買的時候，老板通常會問一句，你這個網線是用于電腦之間連接，還是電腦接其他設備，這是因為網線有兩種線序標準，一種是568A，一種是568B，如果你是電腦之間連接，老板會給你做成交叉線（一頭568A一頭是568B），如果你是與交換機、路由器連接，老板會給你做成直通線（兩頭線序一樣），這就是物理層帶來的規范標準，采用什么物理介質，以及怎樣的線路去連接，這樣在使用的過程中就不會出錯了。

但是現在你去購買網線的時候，老板直接問你要幾米，不會在去問你是用來接什么設備的了，這是因為在現在的網絡設備跟電腦網卡里面自帶了一種功能，叫做自動翻轉（線序自適應），設備之間能夠自動的適應，不管是使用交叉還是直通線來讓電腦接電腦，還是電腦接交換機、路由器都能夠進行通信， 這種功能可以看成是技術的進步，給施工人員減輕了很大的工作量。

這個小插曲了解后，終于把兩臺電腦進行連接，網卡設置對應IP、掩碼、網關等參數后(對應的這些參數，在下一篇會講解）就可以開始聯機一起玩了，這種連接的形式，就是常聽到的局域網（LAN），并且可以發現很多游戲上面寫著局域網聯機。

慢慢的隨著宿舍的電腦增加，一個電腦只有一個網卡，就沒辦法進行兩臺以上的組網了，不同時間段接觸網絡的朋友，可能解決的辦法不一樣，在早期的時候，其實是并沒有交換機的設備的，而是一種叫做HUB的物理層設備（集線器），它有多個接口，可以提供給不同設備進行連接，這樣解決了多臺電腦之間局域網連接的問題，但是集線器有幾個很大缺點。

缺點一：廣播模式（廣播域）

除了打游戲以外，大家平時也會共享一些學習、娛樂的資料，按正常邏輯來說，A發一個文件給D，B跟C是不會收到的，但是在集線器里面B跟C也會收到，當A把數據發送出去后，集線器是一個物理層設備，它不會對以鏈路層做任何的解封裝操作，只會將接收到的物理信號進行放大，把A這個口收到的數據從其他口廣播出去，這個就叫做廣播域。（相當于村里或者學校的廣播站，大家都能聽到，在一個廣播的范圍內。）

最終的結果就是A本來想給D多帶帶發的，結果B跟C也收到了，雖然B跟C不會看里面實際的內容（因為從解封裝的過程發現MAC地址并不是找的自己，就會丟棄），但是在安全性上面存在很大的隱患，以及會浪費不必要的鏈路資源。

缺點二：沖突域

同樣的集線器（HUB）只是一個信號放大器以及半雙工的工作方式，收到一個數據后是直接發送，不做緩存（它也沒有這個機制），這就會出現一個問題，在同一時間只能有一臺電腦發送數據給HUB處理，比如上圖，A與D同時想發送文件給C，HUB收到后就會產生沖突， 這個就叫做沖突域。（沖突域這個問題了解就行，在現在的設備里面已經解決了這個問題。）

缺點三：共享帶寬

集線器（HUB）內部結構是通過一根總線連接起來的，所有的接口都是共享這總線的帶寬，如果總線是10M，那么這個集線器的總速率就是10M，那這個時候如果接了4臺終端，那么每臺終端平均分配的帶寬則是10/4=2.5M，終端越多速率就越低。

至此呢，宿舍一群人總算可以愉快的一起玩游戲，但是傳輸文件資料的時候，通常就把集線器的帶寬給占滿了，其余電腦沒辦法使用，為此呢很苦惱。（這里介紹這里多集線器的事情，只是想大家了解下網絡設備的發展史，以及引入出后面我們要學習的設備，這樣大家印象會深刻些，集線器是在如今看是已經是一個歷史的產物了。）

   既然Hub這么不靠譜，在當時候又沒有更好的設備去取代，所以這種情況下，數據鏈路層是定義了一些規則，來盡量解決這個Hub帶來的問題。（這里說明下，數據鏈路層里面協議非常多，本次課程內容出發跟重點都是講解企業組網，重點放在局域網這塊，局域網目前使用的就是以太網協議，后面會介紹，這里先說明下，因為很多朋友可能看過很多初學的文檔教材，里面會介紹鏈路層很多的協議，會弄的有些亂。）

規則一：誰先發，誰后發

 上面提到過，在Hub的環境下，只要有兩臺設備同時發送數據，就會產生沖突，在二層以太網中引入了一個機制，CSMA/CD（載波偵聽多路訪問/沖突檢測），這個機制規定了，接在Hub下的終端不停的檢測共享線路的狀態，如果目前空閑，則發送數據，如果檢測有人在發送，則等待一段時間后繼續檢查，整體的原理就是，先聽后發，邊發邊聽，沖突停發，隨機延時后重發。（可以看成我們的紅綠燈，同樣有多個方向的路徑，如果沒有規則，那出現事故的幾率是不是就大很多了）

規則二：這個數據是誰發送出來的，誰來接收

規則三：如果這個數據幀在發送過程中，出現了錯誤，收到后怎么辦？（二跟三都在下面統一回答）

   不知道大家有沒有仔細觀察過，不管是個人PC的網卡、光貓、路由器、服務器都有一個MAC地址，這是網卡廠家出廠的時候就已經燒錄在里面了，也被稱為硬件地址。MAC地址在數據鏈路上作為設備的地址標識符，需要確保在網絡中的MAC地址是唯一的，這樣才能夠正確的識別到數據鏈路上的設備。

MAC地址由6個字節組成，前面三個字節表示廠商唯一標識符（比如圖上面的44-8A-5B），不同網卡廠商都有特定的組合，后三個字節由廠家自己進行分配，這樣能夠保證廠家生產出來的網卡MAC地址不會相同。

由于MAC地址太長了，有6個字節（Byte），而一個字節=8個比特（bit），由0跟1組成，比如上面的物理地址是44-8A-5B-D9-91-D9，如果說換算成二進制則為01000100-10001010-01011011-11011001-10010001-11011001，不要說非業內人士，就是業內人士看到這一串二進制比特也得看迷糊了，所以為了方便查看，各個廠家的MAC地址都統一用十六進制來表示，并且不同的操作系統表示的方式不太一樣，這個在后續會慢慢的遇到。

 MAC地址在以太網中有什么用呢？

在如今的我們局域網中，使用的協議是以太網Ⅱ協議，屬于數據鏈路層中的其中一種協議，在早期的時候有線局域網有多個協議同時存在競爭的，像ATM、令牌環、FDDI，這些協議帶來的產品要么價格貴、要么速率低，隨著以太網推出100M標準后，進入快速以太網時代，這個時候以太網得到了突飛猛進的市場支持跟占有率，慢慢的稱為主流，緊接著推出來了千兆以太網、以及萬兆，至今在局域網中能看到的主流協議就是以太網了，目前使用的是第二代，也稱為以太網Ⅱ。以太網是一個典型的多路訪問的網絡，跟上面宿舍一樣，A、B 、C、D都接在Hub上面，都能夠互相進行訪問，而不是說只能訪問某一個，那就帶來了一個問題，那么A、B、C、D它怎么識別這個數據幀是給自己的呢？又是誰發送的呢？，這個就是以太網中MAC地址的作用，能夠根據這個地址定位到某個具體的終端設備，因為MAC地址具有唯一性，下面來看下以太網Ⅱ的數據幀格式。

以太網Ⅱ的數據幀格式

• ?前導碼（ Preamble ）

前導碼由 7 個字節組成，每個字節固定為 10101010 。之后的 1 個字節稱為幀起始定界符，這個字節固定為 10101011 。這 8個字節表示以太網幀的開始，也是對端網卡能夠確保與其同步的標志。幀起始定界符的最后兩位比特被定義為 11 ，作用是告訴接收方進行同步并做好接收數據幀的準備，這里說下，這個是網卡會完成這部分的操作，知道有這個存在就行。（后很多教材里面不會把前導碼這個字段標識出來）

• 目的MAC地址（Destination address）

 由六個字節組成，明確說明這個數據幀是交給誰的（要訪問的目的終端設備）

• 源MAC地址 (Source address)

 由六個字節組成，標明這個數據幀是誰發的（發起這個數據的源設備）

• 類型（Type）

   由2個字節組成，表明了上一層的協議類型，可以讓接收方知道上一層使用的什么，用對應的協議進行讀取。（這里是不是解答了第二篇里面最后問道的其中一個問題了，在數據幀里面會標明上層的協議，而不用等解封裝后到了上一層才知道）

• 數據（Data）?

  實際的數據內容，數據幀能夠容納的最大數據范圍是46~1500個字節，如果說數據部分不足46個字節，會進行填充，滿足最小的長度要求。

• FCS （ Frame Check Sequence ） CRC

用于校驗除前導碼以太的所有幀信息，保證傳輸的幀的完整性和正確率，如果發現數據幀不完整或者錯誤，就直接丟棄，不交給上層處理，減少沒必要的消耗。（這個就是規則三里面的，由FCS來解決出現了錯誤后怎么辦的問題）?

交換機的出現

 Hub的問題上面都知道了，Hub本身的工作模式還是最大的問題，一旦局域網的終端機器增多，那么沖突的幾率就越大，即使有了這些機制的出現，可以避免沖突，但是增加了等待延時，糟糕的情況就是主機有個很大的文件在傳輸，那么其他的終端設備就得一直等待傳輸完畢，使用效率非常低下，這樣的設備滿足不了市場的需求，這個時候交換機（switch）就出現了，交換機跟HUB有本質上面的區別。

（1）能夠讀取數據幀

 Hub工作在物理層的設備，而交換機是工作在數據鏈路層以及以上的設備，它是具有讀取數據幀的功能的，并且能夠使用以太網協議，這樣就算數據幀有錯誤的地方，可以通過FCS來進行校驗，有問題的直接丟棄，而Hub則不行，直接就廣播出去了。

（2）工作在全雙工以及獨立的接口硬件，速率得到了提升

  Hub上面介紹過是工作在半雙工，它只有物理電信號放大的作用，所以導致了沖突域的出現，而交換機不一樣，從內部結構就改變了這個問題，它把每個接口獨立出來，有多帶帶的芯片處理，把每個口之間給獨立出來了，好處是（1） 1口給2口發送數據的時候，不會影響到其他接口，隔離了沖突域，并且，其他口也可以同時發送數據。（2）每個口可以工作在全雙工模式，可以同時接收與發送數據  （3）帶寬不在是跟Hub一樣，共享的形式了，比如交換機是百兆交換機，那么每個接口都可以獨享100M，如果交換機是千兆，每個接口則可以獨享1000M。 這樣就解決了局域網規模增大，由于沖突帶來的問題，并且帶寬也得到了提升。

（3）具有學習地址的功能

Hub它收到一個數據的時候是直接廣播到其他接口，這種模式顯然影響整個網絡，安全隱患大，交換機改變了這種模式，由于它工作在鏈路層，也使用了以太網協議，它能夠去學習MAC地址，并且通過學習把它記錄在自己的數據表中，這樣交換機就知道，哪個口是對應哪個MAC了，當A去訪問D的時候，交換機收到這樣一個數據幀后，讀取到里面的目的MAC是發給D的，D在4號接口，直接交給D的接口即可，而不用把數據從其他接口廣播的形式發送了。

至此呢，交換機從取代集線器開始到如今一直在企業網中使用，并且在如今的網絡設備中，交換機不在是單純的歸納到數據鏈路層了，因為在企業網中還有高級點的三層交換機，能處理IP數據包，以及能讀取四層的端口號信息，但是核心的理念還是不變的，這些我們在正式進入交換機篇的時候會詳細講解。

知識點擴充

（1）半雙工跟全雙工

 這個作為了解即可，現在的網絡環境正常情況下都是工作在全雙工，半雙工是指數據在傳輸過程中同時只能像一個方向傳輸，要么上傳要么下載（Hub設備），就好比一個單車道的路，同時只能一輛車過去，或者是過來，如果兩邊同時通過，那么就在某個點就出現了沖突了。全雙工指交換機可以發送數據的同時也能接收數據，這樣可以得到更高的傳輸效率，沒有沖突、速度快、延遲小，就好比雙車道上，來來往往的車輛互不影響。

（2）總結下Hub與交換機的特點

    Hub與交換機的工作原理跟特點其實上面都已經介紹過了，這里就在舉一個有點接近的比喻，Hub有點類似于一個大的辦公區域，這個時候經理有事情跟老板溝通，勢必會讓其他員工分心，想聽聽有什么內容，這樣就影響了員工的辦公效率，同時也沒有私密性，員工也不能在老板談話的時候去打擾它，這樣會造成沖突。

  慢慢的公司發展起來了，這里交換機還是作為一個大的辦公區域，高層人員都有了獨立的辦公室，想要找到某個人溝通，只需要去往對應的門牌號（MAC地址）就能找到對應的人進入房間溝通，不會影響到其他人，辦公室之間也不會相互沖突。

（3）關于速率問題（Bye/bit）

  這個屬于一個物理層介質的單位問題，不知道大家有沒有發現過，比如我們電腦里面的文件大小單位都是MB、GB，這個屬于存儲以字節作為單位，但是在我們學習的網絡中，是以最小的比特做單位的，1字節=8比特，所以你可能會困惑，明明我拉了條100M的帶寬，但是實際在下載的時候怎么只能達到10~12MB左右，這就是因為帶寬的單位用的是比特，而不是字節，而下載數據用的單位是字節，中間相差8倍，這里作為一個補充了解下，后續在換算或者做某些帶寬限制的時候用的上。

（4）關于每一層數據的稱乎

 數據的發送與接收都是一個封裝與解封裝的過程，每一層數據都有不同的稱呼，在物理層叫做比特，在數據鏈路層叫做幀。（其他層面的介紹到了會進行說明，這個了解即可）

遺留下來的細節問題（思考下）

•  在上文提到的網卡設置IP地址、掩碼、網關的參數，有什么作用呢？已經有了MAC地址為什么還要IP地址呢？（下一篇關鍵內容）
• A發送文件給D，在初始化的情況下，A怎么就能夠知道D的MAC就是這個呢？（下幾篇關鍵內容）
• 交換機它是如何學習到A、B、C、D的MAC地址的呢？（交換機篇會詳細講解）
• 交換機的一個接口能否學習到多個MAC呢，那假設移動位置后，交換機會怎么處理？（交換機篇會詳細講解）?

作者：一天，本文首發于公眾號：網絡之路博客