七层/四层协议¶

OSI 和 TCP/IP 网络分层模型详解（基础）

一个基本流程¶

一文让你搞懂：路由器，集线器，交换机，网桥，光猫有啥区别？-电子工程专辑

1、应用层

提供原始数据和通信诉求

2、传输层

传输层大部分使用TCP协议。即关注的是源和目的端口 — 使用时上层提供好。

3、网络层

网络层大部分使用IP协议，即关注的源和目的IP。

如何知道目的IP是多少？— 也是需要上层提供好。

4、数据链路层

数据链路层的报文，成为一帧数据，网络传输的最小单元？；关注源和目的mac地址；

ip地址只是为了上层软件更简单的标注一台目标设备，真正用于网络通信的需要mac地址标注真实的设备网卡地址；

核心的问题是，如何知道目标mac地址？

通过ARP协议，用于实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标 IP 对应的 MAC 地址 的一种协议。ARP 协议在 IPv4 中极其重要。

一文详解 ARP 协议 - 程序员cxuan - 博客园

5、物理层

从数据链路层到物理层，数据会被转为01比特流。网线两端的水晶头需要采用交叉互联法。 水晶头里有8根线，注意上图里的颜色，是有顺序的。第1、2根线起着收信号的作用，而第3、6脚发信号的作用。将一端的1号和3号线、2号和6号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

6、分层总结

其实，segment，datagram，packet，frame是存在于同条记录中的，是基于所在协议层不同而取了不同的名字。 —

网络设备¶

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集线器（物理广播）¶

集线器工作处于物理层。

从A网口进入集线器的消息，此时还是电信号。这里经过一个PHY模块。 经过PHY的处理后，以电信号的形式输入到中继电路，被无脑广播，再次经过PHY模块后变成BCD网口的格式输出。

• 这里面的电信号，是会受噪声干扰，导致信号形变出错的。但就算是错了，也还是会原封不动的广播出去，这就是上面提到无脑的精髓所在。
• 那信号如果出错了怎么办？只能让接收方收到消息后进行校验。还记得上文里提到的数据链路层的MAC报头里最末尾有个FCS吗？FCS里存放的是发送方通过循环冗余校验CRC计算得到的值。接收方用收到的数据算一次CRC，与FCS里的值进行对比。如果一致，那证明数据没问题。如果出错，则直接丢弃。— 当然，丢弃包并不会影响数据的传输， 因为丢弃的包不会触发确认响应。因此协议栈的 TCP 模块会检测到丢包， 并对该包进行重传。
• 如果消息没出错，但是因为无脑广播，C也能收到A发给B的数据包。此时 C 会在接受到数据包后一层层的"剥开"。正常情况下，在数据链路层时，识别到目的 MAC 地址跟 C 的不一致时，也会把数据丢弃。

交换机（二层交换机）¶

集线器有无脑广播问题，交换机可以解决这个问题。

从网络分层上来说，二层交换机属于数据链路层，比集线器所在的物理层还要高一层。所有发到交换机的数据，都会先进入交换机的缓存区。接着消息再被转发到对应机器上。注意这里用的是转发，而不是集线器的广播，交换机是怎么做到转发的呢？

交换机内部维护了一张MAC地址表，记录了端口号和MAC地址的对应关系。这个表的数据是交换机不断学习的结果。

当A发消息到交换机时，交换机发现消息是从1号端口进来的，则会在MAC地址表上，记录A的MAC地址对应1号端口。如果A没有很长时间没发消息到这个1号端口，那这条记录就会过期并被删除。那么，当时间足够长，ABC 都发过消息给交换机后，地址表就会有完整的关系信息。

• A准备发送消息给B，此时A会把B的MAC地址，放入要发送的数据里。数据顺着网线发出。
• 交换机从端口收到数据，会把数据里的源和目的MAC地址提出来，跟MAC地址表进行对比。
• 发现**B的MAC地址正好在2号端口**，那么就把数据转发给2号端口。
• 此时B电脑从网线收到来自交换机2号端口的数据。

正常流程很清楚了，看两个**特殊情况**： 1、交换机查询地址表时，发现目的 MAC 地址的目标端口和这个包的源端口，是同一个端口，怎么办？ — 会直接丢弃这个包。 2、MAC地址表里找不到对应的MAC地址，怎么办？

这可能是因为具有该地址的设备，还没有向交换机发送过包，或者这个设备一段时间没有工作，导致地址被从地址表中删除了。这种情况下，交换机无法判断应该把包转发到哪个端口，只能将包转发到除了源端口之外的所有端口上，无论该设备连接在哪个端口上，都能收到这个包。此时，交换机就会跟集线器一样进行**广播**。发送了包之后目标设备会作出响应，只要返回了响应包，交换机就可以将它的地址写入地址表，下次也就不需要把包 发到所有端口了。

其实对比可以发现，交换机和集线器内部结构很像。

重点需要提到的是MAC模块。消息以**电信号**的形式从网口进入，到了PHY会被转成**通用格式**的电信号。而MAC模块的作用是把这个电信号转为**数字信号**，这样就能提取出MAC包头，并通过MAC数据帧末尾的**FCS校验**这个包有没有问题，如果没问题，则把数据放到**内存缓冲区**里，否则直接丢弃。

另外，这个MAC模块，虽然这么叫。但其实**交换机MAC模块不具有 MAC 地址**。因此交换机的端口不核对接收方 MAC 地址，而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。

放入到内存缓冲区后，还会把MAC地址和端口号记录到MAC地址表中。同时检查**目的MAC地址**在不在MAC地址表中，在的话则会**转发**到对应端口。否则**广播**。

交换机与网桥的区别？

网桥，本质上可以理解为**两个网线口的交换机**，正好可以把两台电脑给连起来，也叫**桥接**。而交换机，则是**多网线口的网桥**，可以把多台电脑给连（桥接）起来。

其他功能方面，大差不差，不必太过纠结。

路由器（三层交换机）¶

交换机的端口数量毕竟有限，并且不可能一台交换机纪录全世界所有设备的mac与端口映射关系。

什么是网络交换机？| 交换机与路由器对比 | Cloudflare

路由器中有路由表，管理的是网段与端口的映射关系，网段是基于子网掩码算出的一个LAN局域网，局域网内部通常再用交换机管理；

假设A要发消息到D。也就是192.168.0.105/24要发消息到192.168.1.11/24。那么A会把消息经过交换机发到路由器。路由器通过192.168.0.105/24获得其网络号是 192.168.0.0 ，而目的地的网络号是192.168.1.0，二者网络号不同，处于不同局域网。查**路由表**，发现192.168.1.0,在e2端口，那么就会把消息从e2端口发出，到达交换机，交换机发现MAC地址是它局域网下的D机器，就把消息打过去。当然，如果路由表里找不到，那就打到默认**网关**吧，也就是从e1口发出，发到IP192.0.2.1。这个路由器的路由表不知道该去哪，说不定其他路由器知道。

路由器内部，分为控制平面和数据平面，说白了就是对应软件部分和硬件部分。硬件部分跟交换机很像。数据从A网口进入，此时数据还是网线上格式的电信号，会被PHY模块转为通用信号格式，再被MAC模块转为数字信号，通过FCS进行错误校验，同时校验MAC地址是否是自己，通过校验则进入内存缓冲区，否则丢弃。再进入软件部分，由路由选择处理器，通过一定规则（软件逻辑），查询路由表判断转发目标和对应转发口，再经由硬件部分的交换结构转发出去。如果路由表中无法找到匹配记录，路由器会丢弃这个包，并通过ICMP消息告知发送方。

路由器 vs 交换机？

1、MAC模块的区别 路由器和交换机不同点在于，它的每个网口下，都有一个MAC地址和IP地址。正因为路由器具有 MAC 地址，因此它能够成为数据链路层的的发送方和接收方。

怎么理解这句话？前面提到交换机，是不具备MAC地址的，而MAC报头是需要填上目的MAC地址的。因此交换机从来都不是数据的目的地，它只简单转发数据帧到目的地。但路由器，是有MAC地址的，因此MAC报头就可以写上，下一站目的地就是xx路由。到了路由器后，路由器可以再次组装下一站的目的MAC地址是再下一个路由，通过这一点，让数据在路由和路由之间传输。而同时因为交换机不具有MAC地址，因此也不会校验收到的数据帧的MAC地址是不是自己的，全部收下做转发。而路由器则会校验数据帧的MAC报头里的目的MAC地址是不是自己，是的话才会收入内存缓冲区，否则丢弃。

2、找不到转发目的地时的处理方式有区别 如果在路由表中无法找到匹配的记录，路由器会丢弃这个包，并通过 ICMP消息告知发送方。而交换机在MAC地址表里找不到转发端口时会选择广播。

这里的处理方式两者是不同的，原因在于网络规模的大小。交换机连接的网络最多也就是几千台设备的规模，这个规模并不大。如果只有几千台设备，遇到不知道应该转发到哪里的包，交换机可以将包发送到所有的端口上，虽然这个方法很简单粗暴，但不会引发什么问题。但路由器工作的网络环境就是互联网，全世界所有的设备都连接在互联网上，规模非常大，并且这个规模还在持续扩大中。如果此时它的操作跟交换机一样，将不知道应该转发到哪里的包发送到整个网络上，那就会产生大量的网络包，造成网络拥塞。因此，路由器遇到不知道该转发到哪里的包， 就会直接丢弃。

光猫（光电信号转换）¶

不管是交换机还是路由器，前面都是提到网口输入的是电信号。但现在流行的是光纤传输，传输的是光信号。

而光猫（modem），是一种调制解调器，其实就是用于光电信号转换的设备。

接收数据时，可以将光纤里的光信号转化为电信号，发给路由器，路由器内部再转成数字信号，并在此基础上做各种处理。

相反，也会把路由器传来的电信号转为光信号，发到光纤，并进入互联网。

总结¶

• 两台电脑可以通过一根网线直接连接，进行通信。
• 机器一多，可以把网线都接到**集线器**（物理层）上，但是集线器会不管三七二十一进行**广播**。
• 不想广播，可以用（二层）交换机（数据链路层），又叫多端口网桥，它比较聪明，会自我学习生产MAC地址表，知道消息发到哪，那就**不需要广播**啦
• 互联网电脑这么多，交换机MAC地址表总不能全放下吧。改用**路由器**（网络层），也叫三层交换机，通过网段的方式定位要把消息转发到哪，就不需要像交换机那样苦哈哈一条条记录MAC地址啦。
• 路由器和光猫之间是好搭档，**光猫**负责把光纤里的光信号转换成电信号给路由器。
• 现在一般情况下，家里已经不用集线器和交换机了，大部分路由器也支持交换机的功能。所以可以看到，家里的台式机电脑一般就连到一个路由器，再连个光猫就够能快乐上网了。