從物理層到MAC層
第一層（物理層）
網(wǎng)線
第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）
Hub 采取的是廣播的模式饵骨，如果每一臺(tái)電腦發(fā)出的包居触，宿舍的每個(gè)電腦都能收到轮洋，那就麻煩了。這就需要解決幾個(gè)問(wèn)題：
- 這個(gè)包是發(fā)給誰(shuí)的祥楣？誰(shuí)應(yīng)該接收误褪？
- 大家都在發(fā)振坚，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生混亂斋扰？有沒(méi)有誰(shuí)先發(fā)、誰(shuí)后發(fā)的規(guī)則屎鳍？
- 如果發(fā)送的時(shí)候出現(xiàn)了錯(cuò)誤逮壁，怎么辦窥淆？
這幾個(gè)問(wèn)題巍杈，都是第二層筷畦，數(shù)據(jù)鏈路層，也即 MAC 層要解決的問(wèn)題逆航。MAC 的全稱是 Medium Access Control因俐，即媒體訪問(wèn)控制赖瞒±敢控制什么呢袍嬉？其實(shí)就是控制在往媒體上發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候灶平，誰(shuí)先發(fā)、誰(shuí)后發(fā)的問(wèn)題罐监。防止發(fā)生混亂弓柱。這解決的是第二個(gè)問(wèn)題矢空。這個(gè)問(wèn)題中的規(guī)則禀横，學(xué)名叫多路訪問(wèn)屁药。
三種方式：
方式一：分多個(gè)車道。每個(gè)車一個(gè)車道柏锄，你走你的酿箭，我走我的。這在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里叫作信道劃分趾娃；
方式二：今天單號(hào)出行缭嫡，明天雙號(hào)出行，輪著來(lái)茫舶。這在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里叫作輪流協(xié)議；
方式三：不管三七二十一，有事兒先出門讥耗，發(fā)現(xiàn)特堵有勾，就回去。錯(cuò)過(guò)高峰再出古程。我們叫作隨機(jī)接入?yún)f(xié)議蔼卡。著名的以太網(wǎng)，用的就是這個(gè)方式挣磨。
接下來(lái)要解決第一個(gè)問(wèn)題：發(fā)給誰(shuí)雇逞，誰(shuí)接收？這里用到一個(gè)物理地址茁裙，叫作鏈路層地址塘砸。但是因?yàn)榈诙又饕鉀Q媒體接入控制的問(wèn)題，所以它常被稱為MAC 地址晤锥。
解決第一個(gè)問(wèn)題就牽扯到第二層的網(wǎng)絡(luò)包格式掉蔬。
對(duì)于以太網(wǎng)，第二層的最后面是 CRC矾瘾，也就是循環(huán)冗余檢測(cè)女轿。通過(guò) XOR 異或的算法，來(lái)計(jì)算整個(gè)包是否在發(fā)送的過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤壕翩，主要解決第三個(gè)問(wèn)題蛉迹。
這里還有一個(gè)沒(méi)有解決的問(wèn)題，當(dāng)源機(jī)器知道目標(biāo)機(jī)器的時(shí)候放妈，可以將目標(biāo)地址放入包里面北救，如果不知道呢？一個(gè)廣播的網(wǎng)絡(luò)里面接入了 N 臺(tái)機(jī)器大猛，我怎么知道每個(gè) MAC 地址是誰(shuí)呢扭倾？這就是ARP 協(xié)議，也就是已知 IP 地址挽绩，求 MAC 地址的協(xié)議膛壹。
ARP 是通過(guò)吼的方式（廣播）來(lái)尋找目標(biāo) MAC 地址的，吼完之后記住一段時(shí)間唉堪，這個(gè)叫作緩存模聋。
誰(shuí)能知道目標(biāo) MAC 地址是否就是連接某個(gè)口的電腦的 MAC 地址呢？這就需要一個(gè)能把 MAC 頭拿下來(lái)唠亚，檢查一下目標(biāo) MAC 地址链方，然后根據(jù)策略轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備顯然是個(gè)二層設(shè)備灶搜，我們稱為交換機(jī)祟蚀。
交換機(jī)是有 MAC 地址學(xué)習(xí)能力的工窍，學(xué)完了它就知道誰(shuí)在哪兒了，不用廣播了前酿。（剛開始不知道的時(shí)候患雏，是需要廣播的）
交換機(jī)與VLAN
當(dāng)交換機(jī)的數(shù)目越來(lái)越多的時(shí)候，會(huì)遭遇環(huán)路問(wèn)題罢维，讓網(wǎng)絡(luò)包迷路淹仑，這就需要使用 STP 協(xié)議，通過(guò)華山論劍比武的方式肺孵，將有環(huán)路的圖變成沒(méi)有環(huán)路的樹匀借，從而解決環(huán)路問(wèn)題。
STP協(xié)議
在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中平窘，有一個(gè)方法叫做最小生成樹吓肋。有環(huán)的我們常稱為圖。將圖中的環(huán)破了初婆，就生成了樹蓬坡。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，生成樹的算法叫作 STP磅叛，全稱 Spanning Tree Protocol。
STP 協(xié)議比較復(fù)雜萨赁，一開始很難看懂弊琴，但是其實(shí)這是一場(chǎng)血雨腥風(fēng)的武林比武或者華山論劍，最終決出五岳盟主的方式杖爽。
STP 協(xié)議里面的一些概念：
- Root Bridge敲董，也就是根交換機(jī)。這個(gè)比較容易理解慰安，可以比喻為“掌門”交換機(jī)腋寨，是某棵樹的老大，是掌門化焕，最大的大哥萄窜。
- Designated Bridges，有的翻譯為指定交換機(jī)撒桨。這個(gè)比較難理解查刻，可以想像成一個(gè)“小弟”，對(duì)于樹來(lái)說(shuō)凤类，就是一棵樹的樹枝穗泵。所謂“指定”的意思是，我拜誰(shuí)做大哥谜疤，其他交換機(jī)通過(guò)這個(gè)交換機(jī)到達(dá)根交換機(jī)佃延，也就相當(dāng)于拜他做了大哥现诀。這里注意是樹枝，不是葉子履肃，因?yàn)槿~子往往是主機(jī)仔沿。
- Bridge Protocol Data Units （BPDU） ，網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元榆浓∮谖矗可以比喻為“相互比較實(shí)力”的協(xié)議。行走江湖陡鹃，比的就是武功烘浦，拼的就是實(shí)力。當(dāng)兩個(gè)交換機(jī)碰見的時(shí)候萍鲸，也就是相連的時(shí)候闷叉，就需要互相比一比內(nèi)力了。BPDU 只有掌門能發(fā)脊阴，已經(jīng)隸屬于某個(gè)掌門的交換機(jī)只能傳達(dá)掌門的指示握侧。
- Priority Vector，優(yōu)先級(jí)向量嘿期∑非妫可以比喻為實(shí)力 （值越小越牛）。實(shí)力是啥备徐？就是一組 ID 數(shù)目萄传，[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, and Port ID]。為什么這樣設(shè)計(jì)呢蜜猾？這是因?yàn)橐丛趺磥?lái)比實(shí)力秀菱。先看 Root Bridge ID。拿出老大的 ID 看看蹭睡，發(fā)現(xiàn)掌門一樣衍菱，那就是師兄弟；再比 Root Path Cost肩豁，也即我距離我的老大的距離脊串，也就是拿和掌門關(guān)系比，看同一個(gè)門派內(nèi)誰(shuí)和老大關(guān)系鐵蓖救；最后比 Bridge ID洪规，比我自己的 ID，拿自己的本事比循捺。
交換機(jī)數(shù)目多會(huì)面臨隔離問(wèn)題斩例，可以通過(guò) VLAN 形成虛擬局域網(wǎng)，從而解決廣播問(wèn)題和安全問(wèn)題从橘。
對(duì)于支持 VLAN 的交換機(jī)念赶，有一種口叫作 Trunk 口础钠。它可以轉(zhuǎn)發(fā)屬于任何 VLAN 的口。交換機(jī)之間可以通過(guò)這種口相互連接叉谜。
ICMP與ping
ping 是基于 ICMP 協(xié)議工作的旗吁。
ICMP 全稱 Internet Control Message Protocol，就是互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議停局。
ICMP 報(bào)文是封裝在 IP 包里面的很钓。因?yàn)閭鬏斨噶畹臅r(shí)候，肯定需要源地址和目標(biāo)地址董栽。它本身非常簡(jiǎn)單码倦。因?yàn)樽鳛閭刹楸p裝上陣锭碳，不能攜帶大量的包袱袁稽。
ICMP 報(bào)文有很多的類型，不同的類型有不同的代碼擒抛。最常用的類型是主動(dòng)請(qǐng)求為 8推汽，主動(dòng)請(qǐng)求的應(yīng)答為 0。
- 查詢報(bào)文類型
常用的 ping 就是查詢報(bào)文歧沪，是一種主動(dòng)請(qǐng)求歹撒，并且獲得主動(dòng)應(yīng)答的 ICMP 協(xié)議。所以诊胞，ping 發(fā)的包也是符合 ICMP 協(xié)議格式的栈妆，只不過(guò)它在后面增加了自己的格式。
對(duì) ping 的主動(dòng)請(qǐng)求厢钧，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抓包，稱為ICMP ECHO REQUEST嬉橙。同理主動(dòng)請(qǐng)求的回復(fù)早直，稱為ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP市框，這里面多了兩個(gè)字段霞扬，一個(gè)是標(biāo)識(shí)符。這個(gè)很好理解枫振，你派出去兩隊(duì)偵查兵喻圃，一隊(duì)是偵查戰(zhàn)況的，一隊(duì)是去查找水源的粪滤，要有個(gè)標(biāo)識(shí)才能區(qū)分斧拍。另一個(gè)是序號(hào)，你派出去的偵查兵杖小，都要編個(gè)號(hào)肆汹。如果派出去 10 個(gè)愚墓，回來(lái) 10 個(gè)，就說(shuō)明前方戰(zhàn)況不錯(cuò)昂勉；如果派出去 10 個(gè)浪册，回來(lái) 2 個(gè)，說(shuō)明情況可能不妙岗照。在選項(xiàng)數(shù)據(jù)中村象，ping 還會(huì)存放發(fā)送請(qǐng)求的時(shí)間值，來(lái)計(jì)算往返時(shí)間攒至，說(shuō)明路程的長(zhǎng)短厚者。 - 差錯(cuò)報(bào)文類型
舉幾個(gè) ICMP 差錯(cuò)報(bào)文的例子：終點(diǎn)不可達(dá)為 3，源抑制為 4嗓袱，超時(shí)為 11籍救，重定向?yàn)?5。
ping：查詢報(bào)文類型的使用
ICMP總結(jié)：
ICMP 相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)世界的偵察兵渠抹。我講了兩種類型的 ICMP 報(bào)文蝙昙，一種是主動(dòng)探查的查詢報(bào)文，一種異常報(bào)告的差錯(cuò)報(bào)文梧却；
ping 使用查詢報(bào)文奇颠，Traceroute 使用差錯(cuò)報(bào)文。
世界這么大放航，我想出網(wǎng)關(guān)
在進(jìn)行網(wǎng)卡配置的時(shí)候烈拒，除了 IP 地址，還需要配置一個(gè)Gateway 的東西广鳍，這個(gè)就是網(wǎng)關(guān)荆几。
MAC 頭和 IP 頭
一旦配置了 IP 地址和網(wǎng)關(guān)，往往就能夠指定目標(biāo)地址進(jìn)行訪問(wèn)了赊时。由于在跨網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)的時(shí)候吨铸，牽扯到 MAC 地址和 IP 地址的變化，這里有必要詳細(xì)描述一下 MAC 頭和 IP 頭的細(xì)節(jié)祖秒。
路由器是一臺(tái)設(shè)備诞吱，它有五個(gè)網(wǎng)口或者網(wǎng)卡，相當(dāng)于有五只手竭缝，分別連著五個(gè)局域網(wǎng)房维。每只手的 IP 地址都和局域網(wǎng)的 IP 地址相同的網(wǎng)段，每只手都是它握住的那個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)抬纸。
IP 頭和 MAC 頭哪些變咙俩、哪些不變？
對(duì)于 IP 頭和 MAC 頭哪些變松却、哪些不變的問(wèn)題暴浦，可以分兩種類型溅话。我把它們稱為“歐洲十國(guó)游”型和“玄奘西行”型。
之前我說(shuō)過(guò)歌焦，MAC 地址是一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)才有效的地址飞几。因而，MAC 地址只要過(guò)網(wǎng)關(guān)独撇，就必定會(huì)改變屑墨，因?yàn)橐呀?jīng)換了局域網(wǎng)。
兩者主要的區(qū)別在于 IP 地址是否改變纷铣。不改變 IP 地址的網(wǎng)關(guān)卵史，我們稱為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)；改變 IP 地址的網(wǎng)關(guān)搜立，我們稱為NAT 網(wǎng)關(guān)以躯。
網(wǎng)關(guān)總結(jié)：
- 如果離開本局域網(wǎng)，就需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)啄踊，網(wǎng)關(guān)是路由器的一個(gè)網(wǎng)口忧设；
- 路由器是一個(gè)三層設(shè)備，里面有如何尋找下一跳的規(guī)則颠通；
- 經(jīng)過(guò)路由器（網(wǎng)關(guān)）之后 MAC 頭會(huì)變址晕。
如果 IP 不變，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)顿锰，相當(dāng)于不換護(hù)照的歐洲旅游谨垃；
如果 IP 變，NAT 網(wǎng)關(guān)硼控，相當(dāng)于換護(hù)照的玄奘西行刘陶。
路由協(xié)議
路由分靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由，靜態(tài)路由可以配置復(fù)雜的策略路由牢撼，控制轉(zhuǎn)發(fā)策略易核；
動(dòng)態(tài)路由主流算法有兩種，距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法浪默。
路由算法一：距離矢量路由算法
距離矢量路由（distance vector routing）。它是基于 Bellman-Ford 算法的缀匕。
這種算法的基本思路是纳决，每個(gè)路由器都保存一個(gè)路由表，包含多行乡小，每行對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)路由器阔加，每一行包含兩部分信息，一個(gè)是要到目標(biāo)路由器满钟，從那條線出去胜榔，另一個(gè)是到目標(biāo)路由器的距離胳喷。
由此可以看出，每個(gè)路由器都是知道全局信息的夭织。那這個(gè)信息如何更新呢吭露？每個(gè)路由器都知道自己和鄰居之間的距離，每過(guò)幾秒尊惰，每個(gè)路由器都將自己所知的到達(dá)所有的路由器的距離告知鄰居讲竿，每個(gè)路由器也能從鄰居那里得到相似的信息。
每個(gè)路由器根據(jù)新收集的信息弄屡，計(jì)算和其他路由器的距離题禀，比如自己的一個(gè)鄰居距離目標(biāo)路由器的距離是 M，而自己距離鄰居是 x膀捷，則自己距離目標(biāo)路由器是 x+M迈嘹。
這種算法存在的問(wèn)題：
第一個(gè)問(wèn)題：好消息傳得快，壞消息傳得慢全庸。
第二個(gè)問(wèn)題：每次發(fā)送的時(shí)候秀仲，要發(fā)送整個(gè)全局路由表。
所以上面的兩個(gè)問(wèn)題糕篇，限制了距離矢量路由的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模啄育。
路由算法二：鏈路狀態(tài)路由算法
鏈路狀態(tài)路由（link state routing），基于 Dijkstra 算法拌消。
這種算法的基本思路是：當(dāng)一個(gè)路由器啟動(dòng)的時(shí)候挑豌，首先是發(fā)現(xiàn)鄰居，向鄰居 say hello墩崩，鄰居都回復(fù)氓英。然后計(jì)算和鄰居的距離，發(fā)送一個(gè) echo鹦筹，要求馬上返回铝阐，除以二就是距離。然后將自己和鄰居之間的鏈路狀態(tài)包廣播出去铐拐，發(fā)送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)路由器徘键。這樣每個(gè)路由器都能夠收到它和鄰居之間的關(guān)系的信息。因而遍蟋，每個(gè)路由器都能在自己本地構(gòu)建一個(gè)完整的圖吹害，然后針對(duì)這個(gè)圖使用 Dijkstra 算法，找到兩點(diǎn)之間的最短路徑虚青。
不像距離距離矢量路由協(xié)議那樣它呀，更新時(shí)發(fā)送整個(gè)路由表。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議只廣播更新的或改變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@使得更新信息更小纵穿，節(jié)省了帶寬和 CPU 利用率下隧。而且一旦一個(gè)路由器掛了，它的鄰居都會(huì)廣播這個(gè)消息谓媒，可以使得壞消息迅速收斂淆院。
動(dòng)態(tài)路由協(xié)議
基于兩種算法產(chǎn)生兩種協(xié)議，BGP 協(xié)議和 OSPF 協(xié)議篙耗。
1. 基于鏈路狀態(tài)路由算法的 OSPF
OSPF（Open Shortest Path First迫筑，開放式最短路徑優(yōu)先）就是這樣一個(gè)基于鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心中的協(xié)議宗弯。由于主要用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部脯燃，用于路由決策，因而稱為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocol蒙保，簡(jiǎn)稱 IGP）辕棚。
內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議的重點(diǎn)就是找到最短的路徑。在一個(gè)組織內(nèi)部邓厕，路徑最短往往最優(yōu)逝嚎。當(dāng)然有時(shí)候 OSPF 可以發(fā)現(xiàn)多個(gè)最短的路徑，可以在這多個(gè)路徑中進(jìn)行負(fù)載均衡详恼，這常常被稱為等價(jià)路由补君。
2. 基于距離矢量路由算法的 BGP
但是外網(wǎng)的路由協(xié)議，也即國(guó)家之間的昧互，又有所不同挽铁。我們稱為外網(wǎng)路由協(xié)議（Border Gateway Protocol，簡(jiǎn)稱 BGP）敞掘。
在網(wǎng)絡(luò)世界叽掘，這一個(gè)個(gè)國(guó)家成為自治系統(tǒng) AS（Autonomous System）。自治系統(tǒng)分幾種類型玖雁。
- Stub AS：對(duì)外只有一個(gè)連接更扁。這類 AS 不會(huì)傳輸其他 AS 的包。例如赫冬，個(gè)人或者小公司的網(wǎng)絡(luò)浓镜。
- Multihomed AS：可能有多個(gè)連接連到其他的 AS，但是大多拒絕幫其他的 AS 傳輸包劲厌。例如一些大公司的網(wǎng)絡(luò)竖哩。
- Transit AS：有多個(gè)連接連到其他的 AS，并且可以幫助其他的 AS 傳輸包脊僚。例如主干網(wǎng)。
每個(gè)自治系統(tǒng)都有邊界路由器，通過(guò)它和外面的世界建立聯(lián)系辽幌。
BGP 又分為兩類增淹，eBGP 和 iBGP。自治系統(tǒng)間乌企，邊界路由器之間使用 eBGP 廣播路由虑润。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)也需要訪問(wèn)其他的自治系統(tǒng)。邊界路由器如何將 BGP 學(xué)習(xí)到的路由導(dǎo)入到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)呢加酵？就是通過(guò)運(yùn)行 iBGP拳喻，使得內(nèi)部的路由器能夠找到到達(dá)外網(wǎng)目的地的最好的邊界路由器。
BGP 協(xié)議使用的算法是路徑矢量路由協(xié)議（path-vector protocol）猪腕。它是距離矢量路由協(xié)議的升級(jí)版冗澈。
前面說(shuō)了距離矢量路由協(xié)議的缺點(diǎn)。其中一個(gè)是收斂慢陋葡。在 BGP 里面亚亲，除了下一跳 hop 之外，還包括了自治系統(tǒng) AS 的路徑腐缤，從而可以避免壞消息傳得慢的問(wèn)題捌归，也即上面所描述的，B 知道 C 原來(lái)能夠到達(dá) A岭粤，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)自己惜索，一旦自己都到達(dá)不了 A 了，就不用假設(shè) C 還能到達(dá) A 了剃浇。
另外巾兆，在路徑中將一個(gè)自治系統(tǒng)看成一個(gè)整體，不區(qū)分自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由器偿渡，這樣自治系統(tǒng)的數(shù)目是非常有限的臼寄。就像大家都能記住出去玩，從中國(guó)出發(fā)先到韓國(guó)然后到日本溜宽，只要不計(jì)算細(xì)到具體哪一站吉拳，就算是發(fā)送全局信息，也是沒(méi)有問(wèn)題的适揉。
參考：
極客時(shí)間-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
極客時(shí)間-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
極客時(shí)間-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
極客時(shí)間-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議-網(wǎng)關(guān)
