【图解计算机网络】物理层和MAC层的亲密关系

机器有了IP，就能在网络和其他机器通信。

物理层

电脑连电脑时，需要配置这俩电脑的IP地址、子网掩码和默认网关。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，否则不通。

两台电脑间的网络包，包含MAC层。IP层要封装了MAC层才能将包放入物理层。

至此两台电脑构成最小的局域网 - LAN。

怎么把三台电脑连在一起？ 以前有Hub - 集线器。这种设备有多个口，可以连接多台电脑。不同于交换机，集线器没有大脑，完全工作在物理层。它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口。这是物理层联通的方案。

数据链路层

Hub采取广播模式，若每一台电脑发出的包，局域网内每个电脑都能收到，那就麻烦了。必须解决如下问题（MAC层要解决的）：

包发给谁？谁接收？

这里用到一个物理地址 - 链路层地址。但因该层主要解决媒体接入控制，所以常被称为MAC地址。

解决这个问题牵扯该层的网络包格式。 比如以太网，该层的最开始，就是目标MAC地址、源MAC地址。

大部分的类型是IP数据包，然后IP里面包含TCP、UDP，以及HTTP等。

有了目标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的网卡接收这个包，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。因为来时有源MAC地址，返回时，源MAC就变成目标MAC，返给请求的机器。

有无发送顺序？

MAC，Medium Access Control，媒体访问控制。就是控制在往媒体上发数据时，谁先发、谁后发。这个规则称为多路访问。比如如下方案：

• 多车道 每个车一个车道，你走你的，我走我的。这叫信道划分
• 今天单号出行，明天双号出行 这叫轮流协议
• 不管啥事，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出 这叫随机接入协议，以太网就是这种。

这就解决了媒体接入控制的问题。MAC层就是用来解决多路访问的堵车问题的。

发送时出错，咋办？

对于以太网，该层的最后是CRC，计算整个包是否在发送过程出错。

当源机器知道目标机器，可将目标地址放入包，若不知道呢？ 一个广播的网络里面接入了N台机器，如何知道每个MAC地址是谁？即已知IP地址，求MAC地址的协议。

即：在一个局域网里，当知道了IP地址，不知道MAC咋办。

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：

为避免每次都用ARP请求，机器本地也会进行ARP缓存。机器会不断上线下线，IP也可能会变，所以ARP的MAC地址缓存过一段时间会过期。

交换机

Hub是广播的，不管某个接口是否需要，所有Bit都会被发出去，然后让主机自行判断是否需要。 这种方式，当路上车少时没问题，但车一多，产生冲突概率就高了。把不需要的包转发过去，也属于浪费。看来Hub这种一股脑转发的设备是不行的，需要更智能的。因为每个口都只连接一台电脑，这台电脑又不怎么变更IP和MAC地址，只需记住这台电脑的MAC地址，若目标MAC地址不是这台电脑，这口就不用转发了。

所以需要知道目标MAC地址是否就是连接某个口的电脑的MAC地址。这就要一个能把MAC头拿下来，检查目标MAC地址，然后根据策略转发的设备 - 交换机。

交换机怎么知道每个口的电脑的MAC地址？

交换机会学习。

MAC1电脑将一个包发送给MAC2电脑，当这个包到达交换机，一开始交换机也不知道MAC2电脑在哪个口，它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。 但这时，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。

当交换机作为一个关卡一样，过了一段时间之后，就有了整个网络结构。这时，基本不用广播了，全部可准确转发。 每个机器的IP地址会变，所在口也会变，所以交换机的学习结果，称为转发表，有过期时间。