面向程序员的网络基本知识 - 网络模型及网络设备
本系列文章旨在向程序员分享一些网络基本知识，让程序员具备基本的网络常识，以便与网络工程师沟通。本系列文章不会涉及如何配置交换机、路由器等网络设备的内容，所以不适合想考CCNA/HCNA证书的人士。
网络模型及网络设备
网络分层模型
相信所有的程序员都听说过网络分层模型，那我们说说最常提到的OSI参考模型与TCP/IP模型。
很多人常说的7层网络就是指OSI参考模型，其模型一共分为7层，自下而上分别是：物理连接层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表现层、应用层。
而TCP/IP模型可以被认为是对OSI参考模型的简化，其一共有4层，自下而上分别是：网络接入层、网际互联层、传输层、应用层。
下图对这两种模型做了一个比较：
下面简单讲一下2-4层PDU所包含的关键信息（不是所有信息）：
- L2：Data Link，PDU：Frame，包含：源MAC地址、目标MAC地址
- L3：Network，PDU：Packet，包含：源IP地址、目标IP地址
- L4：Transport，PDU：Segment，包含：源端口、目标端口
网络设备
用于建网的网络设备一般有交换机（Switch）和路由器（Router）。其中交换机工作在OSI模型第二层，所以也被称为二层设备（L2 Device），路由器工作在OSI模型第三层，所以也称为三层设备（L3 Device）。
交换机
回顾上图，L2有一个用途是MAC Addressing，所谓MAC Addressing即MAC寻地，每一块网卡（NIC）都有一个MAC地址，比如在Linux运行ifconfig能够看到NIC的MAC地址，注意看下面的HWaddr：
ens33 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0b:29:2b:25:10
inet addr:192.168.1.246 Bcast:192.168.1.255 Mask:255.255.255.0
inet6 addr: fe80::20c:29ff:fe2b:2510/64 Scope:Link
UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:5253258 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:6680389 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:1000
RX bytes:2384306523 (2.3 GB) TX bytes:9150388800 (9.1 GB)MAC地址是网卡的物理地址，该地址理论上是全世界唯一的，不过现实生活中只需要保证在同一个LAN（局域网，或称二层网络）中唯一即可。
交换机是一个工作在L2的设备，即它是依靠MAC地址来使处于同一个LAN中的两个NIC相互通信的。
交换机是一个有很多端口（Port）的设备，每个NIC通过网线连接到其中的一个端口，比如PC-1（假设只有一个网卡）连接在Port-1、PC-2（假设只有一个网卡）连接在Port-2。交换机内部会维护一张“MAC地址表”，它存储来MAC地址->Port的对应关系。
交换机在某个端口收到数据后，会查看Frame（上图中Data Link层的PDU）中的目的地MAC地址，然后根据“MAC地址表”找到对应端口，然后将数据转发到这个端口。
但是我们在现实生活中从来没有使用MAC地址来通信对不对？我们都是使用IP来通信的，比如：ping 192.168.1.20。这是因为操作系统会使用ARP协议来获知192.168.1.20的MAC地址，而交换机在此过程中会学习到这个信息，并且记录到“MAC地址表”中（具体过程本文不做详述）。
关于ARP协议、以及交换机的其他功能细节本文不做详述，读者朋友只需知道交换机是一个二层设备，它维护了一张“MAC地址表”并运用此表让处于同一个二层网络的两个网卡通信就可以了。
路由器
交换机只能让处于同一个二层网络的两个网卡进行通信，如何让处于不同二层网络的设备是通信呢？
答案是使用路由器（Router），路由器是一个三层设备（L3 Device），它的作用是将两个二层网络连接起来，使其能够互相通信。
下图是一个将两个二层网络连接起来的例子：
在这张图中可以看到有两个子网——192.168.1.0/24和192.168.2.0/24（如果你不知道这是什么，不要紧张，我们会在子网分割章节详细讲解），它们是两个独立的二层网络。路由器1有两个端口，一个端口连接在交换机1上，IP是192.168.1.1；另一个端口连接在交换机2上，IP是192.168.2.1。
当PC1要和PC3通信的时候，比如ping 192.168.2.10，它会发现PC3和自己不在同一个子网中（究竟是如何知道的你现在不用关心，我们会在子网分割章节中详细讲解），那它数据交给路由器1，路由器1它会读取Packet（Network层的PDU）中的目的地IP地址，发现是192.168.2.10，结合其内部的路由表（关于路由表本文不做讲解）决定将其转发到交换机2，交换机2再转发到PC3.
我们再考虑一个更贴近现实的问题，我们的电脑是如何访问到baidu.com的呢？
实际上当访问baidu.com的时候你的数据是经过多层路由器，最终到达baidu服务器的，如下图：
你也许会问，路由器是一个L3设备，它是通过IP来转发数据的，那它是怎么知道baidu.com的IP地址呢？实际上路由器并不知道baidu.com的IP地址，操作系统在发送请求的时候会将baidu.com转化为IP地址放到Packet中传递给路由器。关于这个我们会在DNS章节中做详细说明。
为何程序不能获得源MAC地址？
实际上这个问题本身存在一个错误的假设，我们已经知道在同一个二层网络中是直接通过MAC地址来通信的，在这种情况下我们是可以获得MAC地址的。但这只是极少的一种情况，因为大部分时候我们都必须经过路由器才能访问网络的。
我们再来看这张图：
在列出详细步骤前先补充一个知识：路由器的每个端口都是一个独立的网卡，有独立的MAC地址。
如果PC1要和PC3通信，其详细步骤是这样的：
- PC1发送数据
- 封装Packet P，源IP地址：PC1的IP地址，目标IP地址：PC3的IP地址
- 封装Frame F1，源MAC地址：PC1的MAC地址，目标MAC地址：路由器1左侧端口的MAC地址，它的载荷是P
- 路由器1转发数据
- 左侧接口收到数据，提取P，获得目标IP地址
- 查找路由表，发现应该将数据转发到右侧端口
- 封装Frame F2，源MAC地址：路由器1右侧端口的MAC地址，目标MAC地址：PC3的MAC地址，它的载荷是P
- PC3收到数据
所以当PC3收到数据的时候，它收到的Frame已经不是PC1当初发出的Frame了，但是Packet还是PC1发出的Frame。因此PC3是不可能获取PC1的MAC地址的，它能收到的只是路由器1右侧端口的MAC地址。