一文明白網(wǎng)絡(luò)的物理層PHY和數(shù)據(jù)鏈路層MAC

第第頁一文明白網(wǎng)絡(luò)的物理層PHY和數(shù)據(jù)鏈路層MAC今天，我們來認識下物理層和MAC層。

日常生活中，身為90后的我們，如果不是（通信）相關(guān)專業(yè)出身的，應(yīng)該從來沒有接觸過物理層和MAC層的設(shè)備。我們接觸最多的，可能就是路由器了。而路由器實際上是第三層-（網(wǎng)絡(luò)）層的設(shè)備了。

那咱們怎么認識物理層呢？就不扯那些深奧的理論了，從宿舍聯(lián)機打魔獸說起吧。

要想宿舍里的幾臺（電腦）連接到一個局域網(wǎng)內(nèi)，第一反應(yīng)就是買個路由器，大家都連上去就OK了。但是在15年前，路由器還沒有那么普及的時候，你在校園里找個通信專業(yè)的學(xué)生問，知道怎么組建宿舍局域網(wǎng)嗎？他應(yīng)該會回答你，有三種方式：

1.網(wǎng)線連接

2.集線器連接

3.（交換機）

物理層PHY

上面三種方式中，網(wǎng)線連接和集線器是完全在物理層工作，咱們就先見識下這兩種方式。

1.網(wǎng)線連接

是的，你沒看錯，是用一根網(wǎng)線連接在兩個電腦上。網(wǎng)線水晶頭的第1、2和第3、6腳，分別起著發(fā)、收（信號）的作用，要想通過一根網(wǎng)線將兩臺電腦連接在一個局域網(wǎng)上，需要額外做的操作就是將網(wǎng)線其中一端的1號和3號線、2號和6號線互換一下位置，這樣就能在物理層實現(xiàn)一端發(fā)送的信號，另一端成功接收。

當(dāng)然，除了通過網(wǎng)線連接外，我們還需要配置這兩臺電腦的IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關(guān)，將這三項配置成為一個網(wǎng)絡(luò)，否則是不通的。

這樣，一個宿舍的兩臺電腦就可以聯(lián)機打魔獸了。

問題來，如果又有一個舍友買了電腦，怎么把三臺電腦連一起呢？先別說交換機這高檔的東西，對于15年前的大學(xué)生來說，交換機太貴了，買不起。好在除了交換機外，還有個叫做Hub的東西，也就是集線器。

2.集線器

這種設(shè)備有多個口，可以將宿舍里的多臺電腦連接起來。和交換機不同的是，集線器很“傻”，它沒有大腦，完全在物理層工作，將自己收到的每一個字節(jié)，都復(fù)制到其它端口上去。

這就像，小明想找小紅表白，他不知道小紅在哪個小區(qū)，于是他就找其它小伙伴，讓每個小伙伴負責(zé)一個小區(qū)，去每一戶問是不是小紅家，找到小紅的小伙伴就將表白語告訴小紅。

數(shù)據(jù)鏈路層MAC

上面通過Hub實現(xiàn)局域網(wǎng)的方式，你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，Hub采取的是廣播的模式。如果每一臺電腦發(fā)出的包，局域網(wǎng)內(nèi)的其它電腦都能收到，那就麻煩了。這就需要解決幾個問題：

1.這個包是發(fā)給誰的？誰接收？

2.大家都在發(fā)生消息，會不會產(chǎn)生混亂？有沒有先后的規(guī)則？

3.如果發(fā)生的時候出錯了，怎么辦？

這幾個問題，都是數(shù)據(jù)鏈路層，也就是MAC層要解決的問題。MAC的全稱是MediumAccessControl，即媒體介質(zhì)訪問控制。這里的控制，其實就是控制在往媒體上發(fā)數(shù)據(jù)時，誰先發(fā)、誰后發(fā)的問題，也就是防止發(fā)生混亂。這就解決了第二個問題。這個問題中的規(guī)則，學(xué)名叫多路訪問。和我們交通管制一樣，常見的有下面三種方式：

方式一：分車道。每個車一個車道，你走你的，我走我的，互不干擾。這在計算機網(wǎng)絡(luò)中叫做信道劃分；

方式二：今天單號出現(xiàn)，明天雙號出現(xiàn)，輪著來。這叫做輪流協(xié)議；

方式三：不管三七二十一，有事先出門，發(fā)現(xiàn)很堵，就回去等待，錯過高峰期再走。這叫做隨機接入?yún)f(xié)議。著名的（以太網(wǎng)），用的就是這種方式。

要解決第一個問題：發(fā)給誰？誰接收？這里用到一個物理地址，叫做鏈路層地址。但是因為第二層主要解決媒體接入控制的問題，所以它常常被稱為MAC地址。

解決第一個問題就牽扯到第二層的網(wǎng)絡(luò)包格式。對于以太網(wǎng)，第二層的最開始，就是目標MAC地址和源MAC地址。

接下來是類型。大部分的類型是IP數(shù)據(jù)包，其中IP里面包含TCP、UDP，以及HTTP等，這些都是里層封裝的事情。

有了這個目標MAC地址，數(shù)據(jù)包在鏈路上廣播，MAC的網(wǎng)卡才能發(fā)現(xiàn)，這個包是給它的。MAC的網(wǎng)卡把包收進來，然后打開IP包，發(fā)現(xiàn)IP地址也是自己的，再打開TCP包，發(fā)現(xiàn)端口是80，而nginx就是監(jiān)聽80端口。

于是就將請求提交給nginx，nginx返回一個網(wǎng)頁，最后再經(jīng)過層層封裝，返回到MAC層。因為來的時候有源MAC地址，返回的時候，源MAC地址就變成了目標MAC地址，再返給請求的機器。

對于以太網(wǎng)，第二層的最后面是CRC，也就是循環(huán)冗余（檢測）。通過XOR異或的（算法），來計算整個包是否在發(fā)送的過程中出現(xiàn)了錯誤，這主要解決了第三個問題。

這里還有一個沒有解決的問題，當(dāng)源機器知道目標機器的時候，可以將模板地址放入包里。如果不知道呢？一個廣播的網(wǎng)絡(luò)里面接入了N臺地址，我怎么知道每個MAC地址是誰呢？這就是ARP協(xié)議，也就是已知IP地址，求MAC地址的協(xié)議

在一個局域網(wǎng)里，如果知道了IP地址，不知道MAC地址怎么辦？這個在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議-概述中有提過，本地通信靠“吼”。

發(fā)送一個廣播包，廣而告之，誰說這個IP誰來回答。具體詢問和回答的報文就像下面這樣：

為了避免每次都用ARP協(xié)議，機器本地會進行ARP緩存。當(dāng)然，緩存的MAC地址會有一個過期時間。

上面解決了廣播發(fā)出的包，局域網(wǎng)內(nèi)所有機器都能收到的問題。那么Hub是采用怎么樣的方式？

實際上，Hub不管某個接口是否需要，所有的數(shù)據(jù)都會發(fā)送出去，然后讓主機來判斷是否需要相關(guān)數(shù)據(jù)。這種方式會有兩個問題：

機器數(shù)目大幅增多后，產(chǎn)生沖突的概率就提高了。這很好理解，那么多小伙伴去找小紅，發(fā)生交通事故的概率要大于，直接去她家表白發(fā)生交通事故的概率；

把大量不需要發(fā)送的包發(fā)送出去，浪費資源。

明顯可以看出，要解決上面兩個問題，只要我們知道哪個接口對應(yīng)哪個MAC地址就好了。如果目標MAC地址不是這臺電腦的，這個口就不用轉(zhuǎn)發(fā)了。

那么，誰能知道目標MAC地址是否就是連接某個口的電腦的MAC地址呢？這就需要一個能把MAC頭拿下來，檢查一下目標MAC地址，然后根據(jù)策略轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，也就是我們之前提過的，二層設(shè)備-3.交換機。

交換機怎么知道每個口對應(yīng)的電腦的MAC地址呢？這需要交換機能學(xué)習(xí)。這個也是交換機和Hub最明顯的區(qū)別。

一臺MAC1電腦將一個包發(fā)送給另一臺MAC2電腦，當(dāng)這個包到達交換機的時候，一開始交換機也不知道MAC2電腦再哪個口，所以沒辦法，它只能將包轉(zhuǎn)發(fā)給除了來的那個口之外的其他所有的口。但是，這個時候，交換機會干一件很聰明的事情，就是交換機記住，MAC1是來自一個明確的口，以后有包的目的地址是MAC1的，就直接發(fā)送到對應(yīng)口就可以了。

當(dāng)交換機作為一個關(guān)卡一樣，過來一段時間后，就有了整個網(wǎng)絡(luò)的一個結(jié)構(gòu)了。這個時候，基本上不用廣播，全部可以準確轉(zhuǎn)發(fā)。而交換機學(xué)習(xí)的結(jié)果，我們成為轉(zhuǎn)發(fā)表。當(dāng)然，每臺機器的IP地址會變，所在的口也會變，所以轉(zhuǎn)發(fā)表也是有一個過期時間的。

小結(jié)

上面扯了一大堆，實際上也就是