2-0-如果让你来设计网络

通信

你是一台电脑，你的名字叫 A

很久很久之前，你不与任何其他电脑相连接，孤苦伶仃。

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直到有一天，你希望与另一台电脑 B 建立通信，于是你们各开了一个网口，用一根 网线 连接了起来。

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至于为什么插网线就可以通信了，这个无须关心了，大概理解就是电脑A的数据包被网卡转为电信号，发送给了电脑B。

gun-net

此时，你们俩可以通信了。

集线器

一个新伙伴 C 加入了，但聪明的你们很快发现，可以每个人开两个网口，用一共三根网线，彼此相连。

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随着越来越多的人加入，你发现身上开的网口实在太多了，而且网线密密麻麻，混乱不堪。

（而实际上一台电脑根本开不了这么多网口，所以这种连线只在理论上可行，所以连不上的我就用红色虚线表示了，就是这么严谨哈哈~）

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于是你们发明了一个 中间设备 ，你们将网线都插到这个设备上，由这个设备做转发，就可以彼此之间通信了，本质上和原来一样，只不过网口的数量和网线的数量减少了，不再那么混乱。

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你给它取名叫 集线器 ，它仅仅是无脑将电信号转发到所有出口（广播），不做任何处理，你觉得它是没有智商的，因此把人家定性在了 物理层。

640

MAC地址

由于转发到了所有出口，那 BCDE 四台机器怎么知道数据包是不是发给自己的呢？

首先，你要给所有的连接到集线器的设备，都起个名字。

原来你们叫 ABCD，但现在需要一个更专业的，全局唯一的名字作为标识，你把这个更高端的名字称为 MAC 地址

数据包

你的 MAC 地址是 aa-aa-aa-aa-aa-aa，你的伙伴 b 的 MAC 地址是 bb-bb-bb-bb-bb-bb，以此类推，不重复就好。（其实是通过算法得出的全球唯一地址）

这样，A 在发送数据包给 B 时，只要在头部拼接一个这样结构的数据，就可以了。

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B 在收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址信息，判断这个数据包的确是发给自己的，于是便收下。

其他的 CDE 收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址信息，判断这个数据包并不是发给自己的，于是便丢弃。

mac

虽然集线器使整个布局干净不少，但原来我只要发给电脑 B 的消息，现在却要发给连接到集线器中的所有电脑，这样 既不安全，又不节省网络资源。

交换机

如果把这个集线器弄得更智能一些，只发给目标 MAC 地址指向的那台电脑，就好了。

jiaohuanji

虽然只比集线器多了这一点点区别，但看起来似乎有智能了，你把这东西叫做 交换机。

也正因为这一点点智能，你把它放在了另一个层级， 数据链路层。

交换机内部工作原理。

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如上图所示，你是这样设计的。

MAC地址表

交换机内部维护一张 MAC 地址表，记录着每一个 MAC 地址的设备，连接在其哪一个端口上。

MAC 地址 端口
bb-bb-bb-bb-bb-bb 1
cc-cc-cc-cc-cc-cc 3
aa-aa-aa-aa-aa-aa 4
dd-dd-dd-dd-dd-dd 5

假如你仍然要发给 B 一个数据包，构造了如下的数据结构从网口出去。

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到达交换机时，交换机内部通过自己维护的 MAC 地址表，发现目标机器 B 的 MAC 地址 bb-bb-bb-bb-bb-bb 映射到了端口 1 上，于是把数据从 1 号端口发给了 B，完事~

以太网（局域网）

你给这个通过这样传输方式而组成的小范围的网络，叫做 以太网。

图解MAC地址表生成

当然最开始的时候，MAC 地址表是空的，是怎么逐步建立起来的呢？

假如在 MAC 地址表为空是，你给 B 发送了如下数据

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由于这个包从端口 4 进入的交换机，所以此时交换机就可以在 MAC地址表记录第一条数据：

MAC：aa-aa-aa-aa-aa-aa-aa
端口：4

交换机看目标 MAC 地址（bb-bb-bb-bb-bb-bb）在地址表中并没有映射关系，于是将此包发给了所有端口，也即发给了所有机器。

之后，只有机器 B 收到了确实是发给自己的包，于是做出了响应，响应数据从端口 1 进入交换机，于是交换机此时在地址表中更新了第二条数据：

MAC：bb-bb-bb-bb-bb-bb
端口：1

mac_address

经过该网络中的机器不断地通信，交换机最终将 MAC 地址表建立完毕~

路由器

随着机器数量越多，交换机的端口也不够了，但聪明的你发现，只要将 多个交换机 连接起来，这个问题就轻而易举搞定。

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你完全不需要设计额外的东西，只需要按照之前的设计和规矩来，按照上述的接线方式即可完成所有电脑的互联，所以交换机设计的这种规则，真的很巧妙。

但是你要注意，上面那根红色的线，最终在 MAC 地址表中可不是一条记录呀，而是要把 EFGH 这四台机器与该端口（端口6）的映射全部记录在表中。

最终，两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录。

交换机直连

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这在只有 8 台电脑的时候还好，甚至在只有几百台电脑的时候，都还好，所以这种交换机的设计方式，已经足足支撑一阵子了。

但很遗憾，人是贪婪的动物，很快，电脑的数量就发展到几千、几万、几十万。

路由器接入

交换机已经无法记录如此庞大的映射关系了。

此时你动了歪脑筋，你发现了问题的根本在于，连出去的那根红色的网线，后面不知道有多少个设备不断地连接进来，从而使得地址表越来越大。

那我可不可以让那根红色的网线，接入一个新的设备，这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址，而且同时还能帮我把数据包做一次转发呢？

这个设备就是路由器，它的功能就是，作为一台独立的拥有 MAC 地址的设备，并且可以帮我把数据包做一次转发，你把它定在了网络层。

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注意，路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址

好了，现在交换机的 MAC 地址表中，只需要多出一条 MAC 地址 ABAB 与其端口的映射关系 ，就可以成功把数据包转交给路由器了，这条搞定。

MAC地址的问题

现实中 MAC 地址的结构入手，MAC地址也叫物理地址、硬件地址，长度为 48 位，一般这样来表示

00-16-EA-AE-3C-40

它是由网络设备制造商生产时烧录在网卡的EPROM（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写）。

其中前 24 位（00-16-EA）代表网络硬件制造商的编号，后 24 位（AE-3C-40）是该厂家自己分配的，一般表示系列号。

只要不更改自己的 MAC 地址，MAC 地址在世界是唯一的。

形象地说，MAC地址就如同身份证上的身份证号码，具有唯一性。

但是由于MAC地址无规律，且可以自己篡改，仅仅用在局域网中标识一个唯一的机器，你甚至可以每5分钟生成一个新的MAC地址，因此你没有办法确保目标的MAC地址是真实，准确的。MAC地址的用途一般是在局域网中区分不同的硬件设备。

你可以这么简单理解，这就好比送快递，你只填了你的身份证号，东西能送到你手里吗？（你说你的身份证号是唯一的，你的快递信息，你写一个假的身份证号又如何？只不过你都是无法拿到快递而已）

因此，在互联网中，MAC地址不能确定机器的位置。

那么该怎么办？

你得填写具体的收货位置，北京市昌平区沙河镇富雷科技219猿来科技，于超老师，电话15210005004收。

你要是这么写，是不是就没毛病了？

在比如，一句话总结

你是个警察，追踪一个犯人，但是你只有他的身份证号码是没用的，你得定位出他在哪个位置，在哪个旅店，在哪个网吧，然后出击。

IP诞生

此时你发明了一个新的地址，给每一个机器一个32位的编号，比如是

11000000101010000000000000000001

但是32位数字太多了，你看不清楚，因此你给它分成了四份，每份是8位，用小数点隔开了。

11000000.10101000.00000000.00000001

但是你还是觉得看不明白，你把这个二进制换成了十进制

192.168.0.1

十进制转二进制

简单的说就是十进制数反复除以2，取其余数。直至结果的小数部分为0，直接看图比较容易理解

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二进制转十进制（凑数法）

  • 从二进制的右边起，第一位数乘以 2的0次幂+第二位数乘以2的1次幂+....+第n位乘以2的（n-1）次幂

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最后你给了这个地址一个响亮的名字， IP 地址。

现在每一台电脑，同时有自己的 MAC 地址，又有自己的 IP 地址，只不过 IP 地址是软件层面上的，可以随时修改，MAC 地址一般是无法修改的。

这样一个可以随时修改的 IP 地址，就可以根据你规划的网络拓扑结构，来调整了。

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如上图所示，假如我想要发送数据包给 ABCD 其中一台设备，不论哪一台，我都可以这样描述，"将 IP 地址为 192.168.0 开头的全部发送给到路由器，之后再怎么转发，交给它！"，巧妙吧。

那交给路由器之后，路由器又是怎么把数据包准确转发给指定设备的呢？

别急我们慢慢来。

我们先给上面的组网方式中的每一台设备，加上自己的 IP 地址

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现在两个设备之间传输，除了加上 数据链路层的头部 之外，还要再增加一个 网络层的头部。

假如 A 给 B 发送数据，由于它们直接连着交换机，所以 A 直接发出如下数据包即可，其实网络层没有体现出作用。

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程序员计算器

在你了解了二进制转换十进制计算后，日常工作不需要你慢慢的去计算，快速解决问题，可以用计算器。

十进制转二进制

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192     11000000
168        10101000
0        0
1        00000001


11000000.10101000.00000000.00000001

二进制转十进制

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路由转发

但假如 A 给 C 发送数据，A 就需要先转交给路由器，然后再由路由器转交给 C。

由于最底层的传输仍然需要依赖以太网，所以数据包是分成两段的。(数据通过网卡的转化，从MAC地址发出)

A 到 路由器这段的包如下：

链路层
    源MAC是 机器A AAAA
    目标MAC是 路由器端口ABAB

网络层
    源IP，机器A的 192.168.0.1
    目标IP，机器C的 192.168.1.1

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路由器到C的数据包

链路层
    源MAC，路由器端口CDCD
    目标MAC，机器C CCCC

网络层
    源IP，机器A的 192.168.0.1
    目标IP，机器C的192.168.1.1

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子网

此时你会有一个问题，为什么机器A发给机器C的数据，怎么知道要经过路由器转发？

是因为有 子网 的存在。

简单理解，就好比一个学校的两个班级，于超在A班，女神在C班，于超在A班内写情书给女生很方便，偷摸的放到抽屉里。但是要给C班的女神，就得出走出教室，想办法再递给她。

  • 如果源 IP 与目的 IP 处于一个子网，直接将包通过交换机发出去。

  • 如果源 IP 与目的 IP 不处于一个子网，就交给路由器去处理。

好，那现在只需要解决， 什么叫处于一个子网 就好了。

  • 192.168.0.1 和 192.168.0.2 处于 同一个子网
  • 192.168.0.1 和 192.168.1.1 处于 不同子网

这两个是我们人为规定的，即我们想表示，对于 192.168.0.1 来说：

192.168.0.xxx 开头的，就算是在一个子网，否则就是在不同的子网。

那对于计算机来说，怎么表达这个意思呢？于是人们发明了 子网掩码 的概念。

子网掩码

子网掩码是什么？配置IP地址，子网掩码是必不可少的。

小于是大一新生，学号是0517000035

小于看到一个漂亮姑娘芳芳，特别激动，想知道是不是和自己一个班的，就偷偷看了看芳芳的学号，0517000045，妈呀，一个班的，心里美滋滋。

小于又看到一个帅哥，也抓紧看看他的学号，这要是一个班的，多少会影响到自己的颜值，0517003206，给力，不是一个班的，巴适。

因此通过观察学号前面的数字，有一定的规律，范围，即可判断是不是一个班的同学。

05170000 班级编号 45 ，35是学号
05170032 班级编号，06 学号

这下我们可以理解关于分组，分段的概念。

回到ip、子网掩码

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什么是子网掩码

IP地址是以网络号和主机号来标示网络上的主机的，我们把网络号相同的主机称之为本地网络，网络号不相同的主机称之为远程网络主机，本地网络中的主机可以直接相互通信；

远程网络中的主机要相互通信必须通过本地网关（Gateway）来传递转发数据。

概念与作用

①、子网掩码（Subnet Mask）又叫网络掩码、地址掩码，必须结合IP地址一起对应使用。 ②、只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作。 ③、 子网掩码和IP地址做“与”运算，分离出IP地址中的网络地址和主机地址，用于判断该IP地址是在本地网络上，还是在远程网络网上。
④、子网掩码还用于将网络进一步划分为若干子网，以避免主机过多而拥堵或过少而IP浪费。 image-20220122100352389

网络地址、主机地址

确定ip地址所在的网络地址

小于有自己的学号，35号，也知道自己的班级编号，05170000。

  • 小于必须知道自己是哪个班级，才能更容易追到芳芳姑娘
  • 超哥电脑主机号是96，也得知道自己是哪个网段的（192.168.31.xxx）

为什么这个192.168.31表示是一个网段？

ip地址分为两部分，前部分是 网络位 、类似班级编号， 只要网络位相同，就属于同一个网段。

ip地址后面属于 主机位 、代表单个机器的个体编号，类似小于的学号35。

子网掩码组成

①、同IP地址一样，子网掩码是由长度为32位二进制数组成的一个地址。 ②、子网掩码32位与IP地址32位相对应， IP地址如果某位是网络地址，则子网掩码为1，否则为0。
③、举个栗子：如：11111111.11111111.11111111.00000000，这是子网掩码的二进制表示，照第二条的解释，与之对应的IP地址，语法如下

子网掩码
11111111.11111111.11111111.00000000

对应的IP地址，网络地址和主机地址的设计就是比如
192.186.1.1

注：左边连续的1的个数代表网络号的长度，使用时必须是连续的，右边连续的0的个数代表主机号的长度。

子网掩码表示方法

①、点分十进制表示法

二进制转换十进制，每8位用点号隔开 例如：子网掩码二进制11111111.11111111.11111111.00000000，表示为255.255.255.0

②、斜线标记法

IP地址/n 例1：192.168.1.100/24，其子网掩码表示为255.255.255.0，二进制表示为11111111.11111111.11111111.00000000

例2：172.16.198.12/20，其子网掩码表示为255.255.240.0，二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000

不难发现，例1中共有24个１，例2中共有20个１，所以n是这么来的。

运营商ISP常用这样的方法给客户分配IP地址。

通过子网掩码计算IP数量

注：n为1到32的数字，表示子网掩码中网络号的长度，通过n的个数确定子网的主机数=2^(32-n)-2

（-2的原因：主机位全为0时表示本网络的网络地址，主机位全为1时表示本网络的广播地址，这是两个特殊地址）。

比如就是这俩特殊IP，无法直接使用，因此可用的IP数量要减去2个。

192.168.1.0

192.168.1.255

比如经典的
192.168.1.100/24 ,这个24位掩码，意思是二进制位有24个1，也就是这样表示11111111.11111111.11111111.00000000


因此转变为十进制，就是255.255.255.0

因此确定了  子网是192.168.1 
主机数量是 2^(32-24)-2 = 254个IP地址

最终可知，一般家庭局域网，可以用的IP范围是
192.168.1.1 ~ 192.168.1.254 

有两个保留地址 192.168.1.0 和 192.168.1.255

子网掩码计算

IP
    192.168.1.199
子网掩码
    255.255.255.0
这个掩码，表示192.168.1是网络位，只要另一个地址是192.168.1开头的，就是同一个网段


192.168.1.199
255.255.0.0

这个写法，就表示192.168.xxx.xxx是网络位，另一个地址是192.168开头，就是同一个网段。

子网掩码和IP一样，是以32位的二进制存在

二进制指的就是0和1，32位最大的子网掩码是32个1

11111111.11111111.11111111.11111111

255.255.255.255

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IP和子网掩码关系

1、两者结合，确定唯一地址的关系。

2、把两者进行2进制换算进行and算法，就是你对外的唯一地址，比如一个局域网内，每个主机的IP与掩码进行and算法后，地址都是一样的。这就是你对外的唯一地址。

3、子网掩码是用来区分网络地址和主机地址的。

举个例子来说，子网192.168.1.0，子网掩码是255.255.255.0。

255用二进制表示是8个1，11111111

3个255用二进制表示是24个1 

255.255.255.0 换成二进制就是11111111.11111111.11111111.00000000 一共24个1
8+8+8+0=24
这就是斜线标记法 \24

因此我们设置子网掩码可以用24 表示255.255.255.0

再比如
255.255.255.192 换成二进制就是11111111.11111111.11111111.11000000 一共26个1(二进制)
8+8+8+2=26

26数字就可以表示255.255.255.192子网掩码（十进制）

计算网络位（重要）

当知道子网掩码后（二进制）只要数一数有多少个1，就表示ip地址的前多少位是网络位。

比如

255.255.255.0 这样的子网掩码 是二进制的，转换为二进制就是
11111111.11111111.11111111.0 
一共是24个1


因此这个ip的网络位就是前24位，比如
1.我们限制的子网是192.168.0.0（十进制）
转变二进制就是
11000000.10101000.00000000.00000000


前24位就是网络位，也就是
11000000.10101000.00000000.

当算出来网络位之后
主机位，也就是这个子网掩码内，可以用的IP地址，就被限制好了


**主机位从全0到全1就是IP范围**


二进制的IP范围也就是
11000000.10101000.00000000.0000 0000
11000000.10101000.00000000.1111 1111

但是这玩意咱看着实在太累，十进制的就是 255
192.168.0.0 
192.168.0.255

与运算（计算IP范围）

子网掩码是用来判断任意两台主机的IP地址是否属于同一网络的依据，就是拿双方主机的IP地址和自己主机的子网掩码做与运算，如结果为同一网络，就可以直接通信。

位运算（图解）

从现代计算机中所有的数据二进制的形式存储在设备中。即 0、1 两种状态

计算机对二进制数据进行的运算 (+、-、*、/) 都是叫位运算，即将符号位共同参与运算的运算。

口说无凭，举一个简单的例子来看下 CPU 是如何进行计算的，比如这行代码：

int a = 35;
int b = 47;
int c = a + b;

计算两个数的和，因为在计算机中都是以二进制来进行运算，所以上面我们所给的 int 变量会在机器内部先转换为二进制在进行相加：

你要说计算机聪明吧，这玩意只认识0和1，多少有点笨。

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也可以发现，如果能在程序开发里使用二进制运算，能明显提高机器的执行、计算效率。

& 与运算

与运算，也叫做 位与运算 、是计算机中常见的逻辑运算，就和加减乘除一样的概念，但是计算方式不一样。

与运算 规则

0 & 0 = 0 
0 & 1 = 0 
1 & 0 = 0 
1 & 1 = 1

规则总结：

两位同时为“1”，结果才为“1”，否则为0。

如何根据IP地址和子网掩码，计算网络地址：

①、将IP地址与子网掩码转换成二进制数。 ②、将二进制形式的 IP 地址与子网掩码做“与”运算。 ③、将得出的结果转化为十进制，便得到网络地址。 如下图：

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总结

因此当你的子网设置是192.168.0.0，掩码是255.255.255.0的时候，可用IP数量就以及确定好了。

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我们废了老大劲计算子网掩码、可以用的IP数量，为什么？

因为不同的公司，有不同的网络环境，服务器有不同的网络环境，你得搞清楚，服务器的IP、子网掩码，以及可用的IP范围，在一个网段内的机器才可以互相通信，才可以进行下一步的动作。

如果是同网段，那么可以直接互相通信，数据直接发送就好。

如果目标不是同一个网段，是不能直接通信的，必须要把数据交给一个中间人，也就是 网关 ，由网关进行转发。

子网掩码在线计算器

https://tool.chinaz.com/tools/subnetmask

玩一玩，子网掩码

1.修改linux虚拟机为桥接模式，和宿主机一个网段。

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重启虚拟机网络服务

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2.查看宿主机和虚拟机通信

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3.目前通信没问题，因为他们都处于 192.168.31网段 ，因为被子网掩码决定了255.255.255.0。

4.修改宿主机的子网掩码，算一算IP范围。

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计算二进制
192.168.31.77

11000000.10101000.00011111.01001101

子网掩码
255.255.255.192
11111111.11111111.11111111.11000000

与运算，得出IP范围，如图

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5.宿主机修改了网络环境，试试能和linux通信吗？

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故障排错

1.报错传输失败，常见故障；

答案
1. 分析网段
linux的ip地址是192.168.31.222/24

宿主机是192.168.31.77/26 

由于子网掩码的不同，宿主机只能和192.168.31.65 ~ 192.168.31.126 之间的IP通信。


2.由于不再一个网段，系统就去找【网关】，这就好比你在班级里找一个姑娘，找不到，你就会想着出教室【大门】，去隔壁找姑娘。
但是，我们这里没设置网关，因此报错故障，找不到大门，你不搁教室里面徘徊了么。

解决办法

1.加上网关设置

2.修改子网掩码，让这俩机器，处于同一个网段

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默认网关

假如某台机器的子网掩码定为 255.255.255.0

这表示，将源 IP 与目的 IP 分别同这个子网掩码进行与运算（& 符号），相等则是在一个子网，不相等就是在不同子网，就这么简单。

比如

  • A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
  • B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
  • C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
  • D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

那么 A 与 B 在同一个子网，C 与 D 在同一个子网，但是 A 与 C 就不在同一个子网，与 D 也不在同一个子网，以此类推。

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所以如果 A 给 C 发消息，A 和 C 的 IP 地址分别 & A 机器配置的子网掩码，发现不相等

则 A 认为 C 和自己不在同一个子网，于是把包发给路由器，就不管了，之后怎么转发，A 不关心。

A 如何知道，哪个设备是路由器？

答案：在 A 上要设置默认网关

上一步 A 通过是否与 C 在同一个子网内，判断出自己应该把包发给路由器，那路由器的 IP 是多少呢？

其实说发给路由器不准确，应该说 A 会把包发给默认网关。

对 A 来说，A 只能直接把包发给同处于一个子网下的某个 IP 上，所以发给路由器还是发给某个电脑，对 A 来说也不关心，只要这个设备有个 IP 地址就行。

所以默认网关，就是 A 在自己电脑里配置的一个 IP 地址，以便在发给不同子网的机器时，发给这个 IP 地址。

比如超哥这个192.168.31.1，是网关，也是路由器的后台管理地址。

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路由表

路由器如何知道C在哪里？

答案：路由表

现在 A 要给 C 发数据包，已经可以成功发到路由器这里了，最后一个问题就是，路由器怎么知道，收到的这个数据包，该从自己的哪个端口出去，才能直接（或间接）地最终到达目的地 C 呢。

路由器收到的数据包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址，需要转化成从自己的哪个端口出去，很容易想到，应该有个表，就像 MAC 地址表一样。

这个表就叫路由表。

不同于 MAC 地址表的是，路由表并不是一对一这种明确关系，我们下面看一个路由表的结构。

目的地址 子网掩码 下一跳 端口
192.168.0.0 255.255.255.0 0
192.168.0.254 255.255.255.255 0
192.168.1.0 255.255.255.0 1
192.168.1.254 255.255.255.255 1

我们学习一种新的表示方法，由于子网掩码其实就表示前多少位表示子网的网段，所以如 192.168.0.0（255.255.255.0） 也可以简写为 192.168.0.0/24

目的地址 下一跳 端口
192.168.0.0/24 0
192.168.0.254/32 0
192.168.1.0/24 1
192.168.1.254/32 1

这就很好理解了，路由表就表示，192.168.0.xxx 这个子网下的，都转发到 0 号端口，192.168.1.xxx 这个子网下的，都转发到 1 号端口。下一跳列还没有值，我们先不管。

1

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2

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3

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4

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5

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6

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7

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刚才说的都是 IP 层，但发送数据包的数据链路层需要知道 MAC 地址，可是我只知道 IP 地址该怎么办呢？

ARP

假如你（A）此时不知道你同伴 B 的 MAC 地址，你只知道它的 IP 地址，你该怎么把数据包准确传给 B 呢？

其实在网络层里，IP地址会和机器的MAC地址对应，通过某个方式，找到192.168.0.2对应的BBBB地址。

这种方式就是 arp 协议 ，同时电脑 A 和 B 里面也会有一张 arp 缓存表，表中记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

IP 地址 MAC 地址
192.168.0.2 BBBB

一开始的时候这个表是空的，电脑 A 为了知道电脑 B（192.168.0.2）的 MAC 地址，将会广播一条 arp 请求，B 收到请求后，带上自己的 MAC 地址给 A 一个响应。此时 A 便更新了自己的 arp 表。

这样通过大家不断广播 arp 请求，最终所有电脑里面都将 arp 缓存表更新完整。

最后总结

关于网络知识基础，我们总结如下规则，记忆好久够了

电脑视角：

  • 首先我要知道我的 IP 以及对方的 IP
  • 通过子网掩码判断我们是否在同一个子网
  • 在同一个子网就通过 arp 获取对方 mac 地址直接扔出去
  • 不在同一个子网就通过 arp 获取默认网关的 mac 地址直接扔出去

交换机视角：

  • 我收到的数据包必须有目标 MAC 地址
  • 通过 MAC 地址表查映射关系
  • 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去
  • 查不到就所有端口都发出去

路由器视角：

  • 我收到的数据包必须有目标 IP 地址
  • 通过路由表查映射关系
  • 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去（不在任何一个子网范围，走其路由器的默认网关也是查到了）
  • 查不到则返回一个路由不可达的数据包

网络层（IP协议）本身没有传输包的功能，包的实际传输是委托给数据链路层（以太网中的交换机）来实现的。

涉及到的三张表分别是

  • 交换机中有 MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口
  • 路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口
  • 电脑和路由器中都有 arp 缓存表用于缓存 IP 和 MAC 地址的映射关系

这三张表是怎么来的

  • MAC 地址表是通过以太网内各节点之间不断通过交换机通信，不断完善起来的。
  • 路由表是各种路由算法 + 人工配置逐步完善起来的。
  • arp 缓存表是不断通过 arp 协议的请求逐步完善起来的。

知道了以上这些，目前网络上两个节点是如何发送数据包的这个过程，就完全可以解释通了！

最后的网络战斗

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这时路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了 下一跳地址 这一个概念，所以它的路由表就变成了这个样子。

如果匹配到了有下一跳地址的一项，则需要再次匹配，找到其端口，并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。

也就是说找来找去，最终必须能映射到一个端口号，然后从这个端口号把数据包发出去。

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这时如果 A 给 F 发送一个数据包，能不能通呢？如果通的话整个过程是怎样的呢？

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请求流程，动画

network-router

详细过程文字描述：

1. 首先 A（192.168.0.1）通过子网掩码（255.255.255.0）计算出自己与 F（192.168.2.2）并不在同一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.254）

2. A 通过 ARP 找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。

3. A 将源 MAC 地址（AAAA）与网关 MAC 地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）（注意这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址，从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的，只有 MAC 地址在不断变化）封装在网络层头部，然后发包

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4. 交换机 1 收到数据包后，发现目标 MAC 地址是 ABAB，转发给路由器1

5. 数据包来到了路由器 1，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是 192.168.100.5

6. 所以此时路由器 1 需要做两件事，第一件是再次匹配路由表，发现匹配到了端口为 2，于是将其封装到数据链路层，最后把包从 2 号口发出去。

7. 此时路由器 2 收到了数据包，看到其目的地址是 192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为 1，准备从 1 号口把数据包送出去。

8. 但此时路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了，于是查看其 arp 缓存，找到其 MAC 地址为 FFFF，将其封装在数据链路层头部，并从 1 号端口把包发出去。

9. 交换机 3 收到了数据包，发现目的 MAC 地址为 FFFF，查询其 MAC 地址表，发现应该从其 6 号端口出去，于是从 6 号端口把数据包发出去。

10. F 最终收到了数据包！并且发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个包

至此，针对物理层，数据链路层，网络层，前三层协议，以及根据对应协议设计的硬件设备（网线，集线器，交换机，路由器）

一张这么简单的图，背后涉及的知识却是深似海。

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Copyright © www.yuchaoit.cn 2025 all right reserved，powered by Gitbook作者：于超 2024-12-29 15:21:59

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