换个角度理解计算机网络，搭建计网知识框架

虽然集线器确实有用，但也导致了消息爆炸，原来我只要发给计算机 B 的消息，现在却要发给连接到集线器上的所有计算机，这样无论是从经济还是效率上来说都不是一个很好的选择。如果把这个集线器弄得更智能一些，只发给目标计算机就好了。

所谓换个角度，就是从三层物理设备（物理层、数据链路层、网络层）开始，串联起整个网络的工作原理

可能有些小伙伴看见物理设备天生就犯困，反手就准备关闭文章，且慢！本文只是简单的介绍这几个设备的功能，并不会涉及复杂的底层硬件原理，不一定严谨，并且摒弃了很多细节，但读起来一定通俗易懂，帮助你迅速搭建起计网的知识框架。

什么是数据？

首先我们需要知道，网络上传输的东西是什么？所谓数据，什么是数据

假设你要传输的数据是name = "小牛肉"，那么经过从应用层开始经过层层封装，到达物理层进行传输的时候，你的数据已经被封装进了很多东西：

首部里面具体是什么，不是本文的重点，你只需要知道其中有这么几个字段很重要：

• 源 IP 地址
• 源 MAC 地址
• 目标 IP 地址
• 目标 MAC 地址

每一台计算机都有自己的 IP 地址和 MAC 地址。

物理层设备：集线器

假设一个网络上有 A B C D E 五台计算机，A 想要给 C 发送数据包，那么数据包被发送出来后它怎么知道 C 在哪里？

古老的物理层设备 “集线器” 出现了 👇

A 通过集线器给 C 发送消息

如上图所示，集线器上面有若干个端口，每个端口都连着一台计算机，假设 A 计算机对应端口 1， B 计算机对应端口 3，C 计算机对应端口 7......

那么 A 想要给 C 发送消息，消息要经过谁？没错，首先要经过集线器

集线器不是很聪明，他其实也不知道 C 到底在哪里，所以他会将 A 的消息广播给所有的计算机，由各个计算机自己判断是不是发送给自己的消息。

数据链路层设备：交换机

虽然集线器确实有用，但也导致了消息爆炸，原来我只要发给计算机 B 的消息，现在却要发给连接到集线器上的所有计算机，这样无论是从经济还是效率上来说都不是一个很好的选择。如果把这个集线器弄得更智能一些，只发给目标计算机就好了。

既然只发送给一个计算机，那我们首先需要唯一定位这个计算机。

通过什么来定位？发送出来的数据包中其实已经封装好了，就是通过目标计算机的 MAC 地址来进行唯一定位。

A 通过交换机给 C 发送消息

那具体是怎么做到的呢？

事实上，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，连接在哪一个端口上。

• 如果发来的包首部中包含的目标 MAC 地址在 MAC 地址表中没有映射关系，交换机就将此包广播给所有端口，也即发给了所有机器；
• 如果地址表有映射，那就只发给那一个端口

比如 A 想要给 C 发送消息，一开始交换机的 MAC 地址表是空的，交换机并不知道 C 的端口号，因此 A 发送的消息将会被广播，同时，A 的 MAC 地址和它对应的端口号会被记录到 MAC 地址表中。

A 通过交换机给 C 发送消息，此时 MAC 地址表为空

这样，C 对 A 的消息进行响应的时候，交换机就不需要进行广播消息了，因此它已经知道 A 计算机在哪个端口了，并且同样的，C 的 MAC 地址和它对应的端口号会被记录到交换机的 MAC 地址表中。

C 通过交换机给 A 发送消息，此时 MAC 地址表中含有 A 的信息

网络层设备：路由器

交换机似乎看起来已经是最优解了，但事实上，随着计算机设备越来越多，交换机的端口都不够用了，当然你肯定能想到可以用将多个交换机互相连接起来，然后每个交换机之间都互相共享他们的 MAC 地址表。但随着计算机数量的增长，比如 10 亿台设备，100 万个交换机，那这 100 万个交换机都需要各自维护包含 10 亿条记录的 MAC 地址表，无论是从经济还是效率上来说这也都不是一个很好的选择。

所以将交换机连接在一起这个思路确实没有错，但不能粗暴的直接连接在一起，得想个办法，让每个交换机仍然只需要维护和自己连接的设备的 MAC 地址表，同时还能和其他交换机进行共享

路由器应用而生。

路由器同样有很多端口，每一个端口都拥有一个 MAC 地址和一个 IP 地址，每一个端口都连着一个局域网（或者说子网或者说 IP 地址段也行，本文就不过多区分子网和局域网的含义了）或者另一个路由器

举个简单的例子，有两个子网，每个子网内都只有一个交换机，交换机上连接着若干个计算机设备，用路由器把这两个交换机连接起来，当两个子网之间需要进行通信的时候，通过路由器就可以实现了。

那具体是怎么做到的呢？

事实上，路由器内部同样维护着一张表，这张表称为【路由表】，记录着每一个局域网（IP 地址段）和它对应的端口。

比如某个路由器的端口 0 上连接着192.168.0.x​的 IP 地址段，端口 1 上连接着192.168.1.x的 IP 地址段，那么路由表就是下面这样：

大伙一定发现了上面路由表中还有 ”下一跳“ 这个字段，很简单，一个路由器的端口毕竟是有限的，不可能一个路由器连接所有的 IP 地址段，因此，如果该路由器发现目标计算机的 IP 地址不在自己管辖的 IP 地址段之内，就会通过下一跳地址转发给其他的管辖这个 IP 地址的路由器

路由器具体是怎么工作的呢？比如 A 给 C 发送数据，A 在子网号为192.168.0.x​的子网，而 C 在子网号为192.168.1.x的子网，那么A 首先需要知道 C 和自己是不是在同一个子网：

• 如果是同一个子网，那么直接把数据发送给交换机就可以了
• 如果不是同一个子网，那么需要经过路由器的转发，A 需要把数据通过交换机发送给路由器，然后由路由器决定该发送给哪个子网

A 通过路由器给 C 发送消息

这里有两个问题：

1）A 如何判断是否和 C 在同一个子网？

答案：这个简单，也不是本文重点，不过多介绍了，就是将源 IP 与目的 IP 分别同子网掩码进行与运算，结果相等就是在同一个子网

2）A 如何知道哪个设备是路由器？

答案：每个计算机上都要设置【默认网关】

其实说发给路由器不准确，应该说 A 会把数据包发给默认网关。

对 A 来说，A 只能直接把数据包发给同处于一个子网下的某个 IP 上，所以其实发给路由器还是发给某个计算机设备，对 A 来说并没有什么区别，反正它只认得 IP 地址。

所以默认网关，其实就是 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设备时，发给这个 IP 地址。

总结

如下图 A 给 F 发送一个数据包，我们来梳理下整个通信过程：

A 给不同子网的 F 发送消息

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（192.168.3.2​）并不在同一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.222）

2）A 通过 ARP 协议找到 默认网关192.168.0.222的 MAC 地址（数据链路层需要知道 MAC 地址才能传输数据）

3）A 将源 MAC 地址（AA-AA-AA-AA​）与网关 MAC 地址（MM-MM-MM-MM​）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（192.168.3.2）（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，然后发送数据包

报文格式

4）第一个交换机收到数据包后，发现目标 MAC 地址是MM-MM-MM-MM，转发给第一个路由器

5）数据包来到了第一个路由器，发现其目标 IP 地址是192.168.3.2​，查看其路由表，发现了下一跳的地址是192.168.100.21

6）所以此时该路由器需要做两件事，一是再次匹配路由表，找到下一跳192.168.100.21匹配的端口号，二是从这个端口把数据包转发出去

7）此时第二个路由器收到了数据包，看到其目的地址是192.168.3.2，查询其路由表找到匹配的端口号，并准备从该端口把数据包转发出去

8）但此时路由器需要知道192.168.3.2​的 MAC 地址才行，于是查看其 ARP 缓存，找到其 MAC 地址为FF-FF-FF-FF，并将其封装在数据链路层头部，从上个步骤确定的端口将包转发出去。

9）如上图所示，对应的交换机收到了数据包，发现目的 MAC 地址为FF-FF-FF-FF，查询其 MAC 地址表，从对应的端口把数据包发出去。

10）数据包最终成功抵达计算机 F，F 发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个数据包。