从0开始建立一个互联网（物理层-数据链路层-网络层）-一一网

如果我们自己设计一个计算机网络，怎么设计？

最简单的，直接用一根线将两台设备连接起来。
我发高低电频1010就可以直接表示信号了。

但这种方式有什么问题呢?

当我们的网络扩展了，现在有五台设备。
计算机网络需要实现两两之间互相通讯，
如果我们直接用拉线这种方式，那两两之间都需要拉一根线。

可以看出，线太多了，所以说这种方式肯定是不行的。

集线器：

设计思路

设计之初，我们就提出了几个点
- 1.转发思想：从一发到4的数据，能不能先发给3，3帮我发呢？
- 2.标识思想：在一个网络中，我们要表明自己的身份。
通过这两个思想，我们继续设计。
- 我们可以专门提出一个设备做转发，其他设备都连接到这个设备上。
- 比如从1发到3的数据，就可以通过这个设备转发。
- 早期网络就是这么做的。

这个设备的名字叫做 HUB —> 集线器。
- 他有一个功能就是做消息转发
- 他做消息转发的方式非常暴力。
  - 1发送的消息，发到HUB，HUB会做无条件转发给所有设备。

优点

这种方式设计起来非常简单，设计成本非常低，线材也比较简单，只需要用简单的双绞线就可以了

载波侦听

但是从1发到4，同时也发到了235，这种问题怎么解决呢？
- 发送的时候会带一个标识，4收到数据包之后，发现是发给我的，我才会消费掉，其他的发现不是，就直接丢弃了。
- 但是这样设计有一个问题，如果1和2同时发送数据，集线器只能处理电信号，其实没法分辨这两个信号，他在转发的时候会将两个信号杂糅起来，分别发给了其他设备，这样就可能导致收到的信号是混合起来的，任何一个消息都解析不出来。

针对这个问题，提出了一种协议，叫CSMA/CD
- 这个协议的作用就是，在发送前，先进行载波侦听，监听一下这个链路上有没有其他人正在发送数据。

缺点

这种设计模式也是网络最初诞生时的一种网络组织形式。
这种方式有几个缺点：
- 1.进行数据广播会导致带宽利用率较低
- 2.链路上同时只能一个设备发送数据，导致链路利用率很低
如果网络规模不断扩大，如果有一万台设备，可能大多数人一天都等不到机会发送数据。
所以他只适用于个位数机器的网络的布置。

交换机：

演变

所以提出了第二种设备，就是交换机，简称SW
交换机跟集线器的作用非常类似。
他也是一个中心的作用，也可以实现转发。
但是他还可以记录地址。

记录的地址主要是：mac地址和端口的映射关系。

mac地址

Mac地址长啥样呢？
- 他有六个分段，每个分段8bit，他是有48比特
- Mac地址是出厂的时候就写死了，并且是全球唯一的一个地址（虽然想改也是可以改的）

交换机的如何记录mac地址的呢？
- 其实交换机中维系了一张表
- 一个mac地址对应一个端口

如果机器1想要跟机器3通讯，
- 他就会将数据发送到交换机
- 交换机会到自己维系的这张地址端口去看，发现mac3对应的是三号口
- 他就会将一号口发过来的消息从三号口发出去
- 3最终就收到这个消息了
优化
- 交换机这种工作方式下，我不再需要将这个数据进行广播。
- 第二点，交换机的一个特点是它是全双工的
全双工
- 上面提到的集线器大多是双绞线
- 双绞线在工作的时候只能有一台设备进行数据发送的。
- 交换机这里使用的就是我们现在的网线了
- 网线里面是有八根线的，正常情况下至少有四根线在工作。
- 这种方式下，可以实现数据的全双工，
- 在一号发送的时候，同时也可以进行数据的接受，链路上的数据也不会产生冲突。

那么交换机上面的表是怎么建立起来的呢？

我们拿到交换机的时候，可以连接一些设备，
- 一开始的时候，交换机里面是没有这张表的，或者是一张空表。
那他是怎么建立起映射关系的呢？
- 比如我们首先A要向B发送数据，
- A发送数据上来以后，发现这张表中没有任何数据
- 同时A发送上来以后，他确定一个消息，这个A的地址对应的是一号口，
- 所以他将macA对应一号口这件事情记录到这张表里面。
- 现在他的目的地址是B，他去找B的时候发现找不到，
- 找不到的时候，就往每个端口分别进行发送，
- 其中四号端口是B，B做出了回应，
- 这个时候就会将macB记录到这个表中，他对应的是四号口
- 经过一点时间的记录以后，交换机最终就维护起了一个所有mac地址和端口的映射关系
交换机所在的这一层是数据链路层
- 数据链路层的数据分数据头，数据部分
- 数据头中记录了原地址、目的地址，这里的地址指的mac地址

优点

这个方式是对集线器巨大的改进，可以看到我们日常生活中其实集线器已经很少见了，因为大多数时候我们都使用交换机，交换机的效率更高
交换机还有一个特点，就是可以进行桥接

比如我们有两个交换机，我们就可以通过他们上面的两个端口进行桥接
桥接之后会产生一个现象
- 假如我们这台设备上有A、B两个设备，另一台有C、D两个设备。
- 经过一段时间，交换机1中就维系了一个表
- A对应1号口，B对应4号口
- A向C发送消息的时候，他其实没有找到，那他就会全部广播发送，
- 广播到最后一个口的时候，就会到第二个交换机，
- 交换机2里面其实已经记录了，C对应4号口，D对应3号口
- 他就找到了C，最终发到了交换机2的4号口。
- 发送完之后，交换机2会记录，A对应1号口，当然之后B也往这边发送数据的时候，他会记录B对应1号
- 交换机1同样会记录

可以看到，多个mac地址可以对应同一个端口

我们的家庭交换机一般情况下，表的大小是在几千左右，
注意：这里的mac和端口映射的表不是我们通常所说的路由表，因为他还没有到路由那一层，他只是交换机

缺点

那我们看一下，当前设计方式下，还有什么弊端。

几千的存储量是比较小的，如果我们想要在全球范围内建立目前的计算机互联网络，几千个端口肯定是不够的，那可能需要几十亿个，如果没有对应的路由信息的话，他就会一直广播，就会导致全球范围内的消息洪泛
目前，使用交换机和mac地址结合的这种方式，可以在一个比较小的局域网内达到一个高效的传输，比如说几千个设备组成的局域网，这个网络可能是整个校园网，或者一个工作室或者一个家庭中的网络。

补充

网络内部使用交换机，他的效率还是很高的。
上面讲的集线器这种其实是在物理层，下面讲的交换机mac地址的这种方式是在数据链路层
比较有意思的是，mac地址位于数据链路层，却叫物理地址。
- 物理层是比较早期的一种设计方式，通过电信号，后来我们其实比较关注数据层面，所以就放到了数据链路层
- 每一台设备需要有一个标识，这个标识从概念上来讲确实是一个物理地址。

路由器：

演变

上面交换机的方式，他最大的一个优势是在网络内部可以进行高效的传输。
当网络扩大以后，比如多个网络合成一个大的网络
这个大网络下，可能交换机中的表可能记录不过来，我需要不停地广播，广播的效率又比较低。
所以在跨网络的时候，我们提出了一种新的方案，我们定义一个新的设备，通过新的设备连接不同的网络，新的设备我们叫他路由器。有时候也会叫做网关。因为他是在跨两个网络之间的一个连接点。

有了路由器之后，我们不同网络之间的设备
- 比如设备1和设备2进行通信的时候，
- 他就是通过路由器进行转发，如果是设备1 和设备3进行通讯，就不需要经过路由器，直接在网络内部进行转发就可以了。
- 网络内部通过这个交换机通讯，他的效率是很高的。所以1和3 的通信直接走交换机。1和2 之间的通讯才会走路由器。

ip

Ip地址的出现：
- 网络其实是一个比较抽象的概念，并没有说，我划定北京朝阳区是一个网络，我划定北京市海淀区是另一个网络，
- 我们需要标识这个网络，以及网络中的每个设备，就需要提供另一个标识，这个表示就是ip地址，
IP地址有两个作用：
- 一个是用来标识网络，
- 一个是用来标识设备的，
上面是用mac地址标识设备，这里又提出了ip地址
- ip地址主要是用来标识设备在哪个网络下，是为了在抽象网络中做出的一个关联。
- 所以每台地址又有了一个ip地址。
  - mac地址：设备唯一性，设备一般不会变
  - Ip地址：设备所在网络位置的唯一性，网络位置是会变的，比如搬家换网络了。
- 比如：
  - 我家庭的网络是：192.168.0.0/24（这个网络号也是一种类似于IP的形式，他就用来标识我整个网络2）
  - 我的设备：我的设备是192.168.0.102（这个ip地址就用来标识我当前的设备）

我ping一下192.168.1.254，发现是可以ping通的。

1.254是隔壁老王的ip，我们共用了光猫。
能ping通的原因：
- 当前的这个网络中，每一台设备都有自己维护的路由表的，路由器也是有路由表的
- 我的ip是0.102，我自己的路由表自己会记录192.168.0.1，
- 0.1是在什么地方呢？0.1在路由器上。他就会把数据包发到路由器上，
- 这个路由器自己也有一张路由表，因为路由器自己也是也linux系统，
- 他这个路由表中记录了192.168.1.0这个网络的端口，进过这个端口转发到网络1
- 然后1.254和网络1是在同一端口中，所以很容易找到了1.254

可以看出路由器工作的主要原理：
- 它既有网络1的ip，又有网络2的ip
这里还有两个问题：
- 1.路由表是如何建立的？
  - 路由表其实是比上面交换机中的这个地址端口映射表要复杂很多，
  - 他用到了很多路由的算法，这里就不展开讲了
  - 路由器经过一系列的算法会自动建立出一个完善的路由表
- 2.从路由器转发到网络1后，是怎么到达1.254的？就是网络内的传输是怎么进行的？
  - 如果你认为ip地址能直接找到，那是不是不需要mac地址了？
  - 有了ip地址，还需要mac地址吗？
    - 我们先回到引入路由器的初衷，是为了跨网络的时候进行数据的转发，这个ip其实是一个抽象的ip，ip是不能直接用作通讯的，我们只能使用mac地址进行直接通讯。
    - 因为mac地址是一个真实的地址。
    - 所以路由器端口到1.254的过程是这样的，
    - 首先，他会去查1.254的mac地址，根据一个ip地址去查mac地址，这里其实有个协议叫ARP协议，
    - ARP协议其实是去网络中广播谁的ip是1.254，1.254收到以后就会回复mac地址
    - 然后就可以在mac层进行传输了。

Mac层又叫数据链路层，路由器这一层又叫网络层，实际上网络传输全都是走的mac地址

这个ip层数据包可以对照mac层看一下
- 我们可以把刚才mac的包拿过来
  - Mac的数据头有一个源地址，一个目的地址，这里的地址指的是mac地址
  - Mac的数据部分就是一整个ip的包
- Ip的包也分头和数据部分
  - ip的头部分包的就是ip的源地址、目的地址
  - 最终里面才是ip的数据
- 当然越往上还有tcp、http层的头，一层一层往上包，最后才是我们传输的那个数据部分。

我们看整个网络传输的过程 0.102 -> 1.254
- 第一步，0.102 -> 0.1，是先用ARP协议查0.1的mac地址，我的目的地ip是0.102，目的mac地址是1.254的mac地址，这样包可以传到0.1
- 第二步，0.1传到网络1在路由器中记录的端口ip（假设是1.52）虽然是本机，但是也是网卡之间的传输，目的地mac地址变成1.52的mac地址
- 第三部，1.52 -> 1.254，mac目的地址就变成了1.254的mac地址，最终将数据发送过来

发送过程中，ipd 的源、目地址是不变的，只有mac的源、目地址在变