以太网｜MAC地址
以太网是一种为多台计算机能够彼此自由和廉价地相互通信而设计的通信技术。
这种网络的本质其实就是一根网线。还有一种叫作收发器的小设备，它的功能只是将不同网线之间的信号连接起来而已。因此，当一台计算机发送信号时，信号就会通过网线流过整个网络，最终到达所有的设备。
这种网络中任何一台设备发送的信号所有设备都能接收到。
不过，我们无法判断一个信号到底是发给谁的，因此需要在信号的开头加上接收者的信息，也就是地址。这样一来就能够判断信号的接收者了，与接收者地址匹配的设备就接收这个包，其他的设备则丢弃这个包，这样我们的包就送到指定的目的地了。这个就是用mac头部来说明的。
现在用的都是交换机，和原来使用的集线器相比，有一个重要的变化，即信号会发送给所有设备这一性质变了，现在信号只会流到根据MAC地址指定的设备，而不会到达其他设备了。
以太网和IP一样，并不关心网络包的实际内容，因此以太网的收发操作也和TCP的工作阶段无关，都是共通的
信号转换
我们需要将数字信息转换为电或光信号，才能在网线上传输，也就是说，这才是真正的数据发送过程。
负责执行这一操作的是网卡，但网卡也无法单独工作，要控制网卡还需要网卡驱动程序。
信号转换总图：
打开计算机启动操作系统的时候，网卡驱动程序会对硬件进行初始化操作，然后硬件才进入可以使用的状态。
这些操作包括硬件错误检查、初始设置等步骤，这些步骤对于很多其他硬件也是共通的，但也有一些操作是以太网特有的，那就是在控制以太网收发操作的MAC模块中设置MAC地址。
网卡的ROM中保存着全世界唯一的MAC地址，这是在生产网卡时写入的，将这个值读出之后就可以对MAC模块进行设置，MAC模块就知道自己对应的MAC地址了。
网卡驱动从IP模块获取包之后，会将其复制到网卡内的缓冲区中，然后向MAC模块发送发送包的命令。接下来就轮到MAC模块进行工作了。
首先，MAC模块会将包从缓冲区中取出，并在开头加上报头和起始帧分界符，在末尾加上用于检测错误的帧校验序列。
报头是一串像10101010…这样1和0交替出现的比特序列，长度为56比特，它的作用是确定包的读取时机。当这些1010的比特序列被转换成电信号后，会形成波形。接收方在收到信号时，遇到这样的波形就可以判断读取数据的时机。
每个包的前面都有报头和起始帧分界符（SFD），报头用来测定时机，SFD用来确定帧的起始位置。
用电信号来表达数字信息时，我们需要让0和1两种比特分别对应特定的电压和电流。
通过电信号来读取数据的过程就是将这种对应关系颠倒过来。也就是说，通过测量信号中的电压和电流变化，还原出0和1两种比特的值。
当信号连续为1或连续为0时，比特之间的界限就会消失，如果将时钟信号叠加进去，就可以判断出比特之间的界限了。
最简单的方法就是在数据信号之外再发送一组用来区分比特间隔的时钟信号。
但是这种方法存在问题。当距离较远，网线较长时，两条线路的长度会发生差异，数据信号和时钟信号的传输会产生时间差，时钟就会发生偏移。
要解决这个问题，可以采用将数据信号和时钟信号叠加在一起的方法。这样的信号，发送方将这样的信号发给接收方。由于时钟信号是按固定频率进行变化的，只要能够找到这个变化的周期，就可以从接收到的信号（c）中提取出时钟信号（b），进而通过接收信号（c）和时钟信号（b）计算出数据信号（a）。
因此，我们不能一开始就发送包的数据，而是要在前面加上一段用来测量时钟信号的特殊信号，这就是报头的作用。
报头后面的起始帧分界符在它的末尾比特排列有少许变化。接收方以这一变化作为标记，从这里开始提取网络包数据。也就是说，起始帧分界符是一个用来表示包起始位置的标记。
末尾的FCS（帧校验序列）用来检查包传输过程中因噪声导致的波形紊乱、数据错误，它是一串32比特的序列，是通过一个公式对包中从头到尾的所有内容进行计算而得出来的。
发送信号的操作分为两种，一种是使用集线器的半双工模式，另一种是使用交换机的全双工模式。
在半双工模式中，为了避免信号碰撞，首先要判断网线中是否存在其他设备发送的信号。如果有，则需要等待该信号传输完毕，因为如果在有信号时再发送一组信号，两组信号就会发生碰撞。当之前的信号传输完毕，或者本来就没有信号在传输的情况下，我们就可以开始发送信号了。
半双工模式工作过程
首先，MAC模块从报头开始将数字信息按每个比特转换成电信号，然后由PHY，或者叫MAU的信号收发模块发送出去。
在这里，将数字信息转换为电信号的速率就是网络的传输速率，例如每秒将10 Mbit的数字信息转换为电信号发送出去，则速率就是10 Mbit/s。
接下来，PHY（MAU）模块会将信号转换为可在网线上传输的格式，并通过网线发送出去。
以太网规格中对不同的网线类型和速率以及其对应的信号格式进行了规定，但MAC模块并不关心这些区别，而是将可转换为任意格式的通用信号发送给PHY（MAU）模块，然后PHY（MAU）模块再将其转换为可在网线上传输的格式。大家可以认为PHY（MAU）模块的功能就是对MAC模块产生的信号进行格式转换
PHY（MAU）的职责并不是仅仅是将MAC模块传递过来的信号通过网线发送出去，它还需要监控接收线路中有没有信号进来。在开始发送信号之前，需要先确认没有其他信号进来，这时才能开始发送。如果在信号开始发送到结束发送的这段时间内一直没有其他信号进来，发送操作就成功完成了。
在发送信号的过程中，接收线路不应该有信号进来，但情况并不总是尽如人意，有很小的可能性出现多台设备同时进行发送操作的情况。如果有其他设备同时发送信号，这些信号就会通过接收线路传进来。
在使用集线器的半双工模式中，一旦发生这种情况，两组信号就会相互叠加，无法彼此区分出来，这就是所谓的信号碰撞。这种情况下，继续发送信号是没有意义的，因此发送操作会终止。为了通知其他设备当前线路已发生碰撞，还会发送一段时间的阻塞信号，然后所有的发送操作会全部停止。
等待一段时间之后，网络中的设备会尝试重新发送信号。但如果所有设备的等待时间都相同，那肯定还会发生碰撞，因此必须让等待的时间相互错开。具体来说，等待时间是根据MAC地址生成一个随机数计算出来的。
当网络拥塞时，发生碰撞的可能性就会提高，重试发送的时候可能又会和另外一台设备的发送操作冲突，这时会将等待时间延长一倍，然后再次重试。以此类推，每次发生碰撞就将等待时间延长一倍，最多重试10次，如果还是不行就报告通信错误。
在全双工模式中，发送和接收可以同时进行，不会发生碰撞。
在使用集线器的半双工模式以太网中，一台设备发送的信号会到达连接在集线器上的所有设备。这意味着无论是不是发给自己的信号都会通过接收线路传进来，因此接收操作的第一步就是不管三七二十一把这些信号全都收进来再说。
接收到包过后，还需要对包进行校验，就是将从包开头到结尾的所有比特套用到公式中计算出FCS，然后和包末尾的FCS进行对比，正常情况下两者应该是一致的，如果中途受到噪声干扰而导致波形发生紊乱，则两者的值会产生差异，这时这个包就会被当作错误包而被丢弃。
当接收到包确认无误后，MAC模块再从头开始将信号转换为数字信息，并存放到缓冲区中。
如果FCS校验没有问题，接下来就要看一下MAC头部中接收方MAC地址与网卡在初始化时分配给自己的MAC地址是否一致，以判断这个包是不是发给自己的。
如果接受包中的MAC地址和自己MAC地址一致，则将包放入缓冲区中。到这里，MAC模块的工作就完成了。这里的缓存是MAC模块中的缓存。
通知计算机收到了包
接下来网卡会通知计算机收到了一个包。通知计算机的操作会使用一个叫作中断的机制。在网卡执行接收包的操作的过程中，计算机并不是一直监控着网卡的活动，而是去继续执行其他的任务。因此，如果网卡不通知计算机，计算机是不知道包已经收到了这件事的。网卡驱动也是在计算机中运行的一个程序，因此它也不知道包到达的状态。在这种情况下，我们需要一种机制能够打断计算机正在执行的任务，让计算机注意到网卡中发生的事情，这种机制就是中断。
具体来说，中断的工作过程是这样的。首先，网卡向扩展总线中的中断信号线发送信号，该信号线通过计算机中的中断控制器连接到CPU。当产生中断信号时，CPU会暂时挂起正在处理的任务，切换到操作系统中的中断处理程序。然后，中断处理程序会调用网卡驱动，控制网卡执行相应的接收操作。
网卡驱动被中断处理程序调用后，会从网卡的缓冲区中取出收到的包，并通过MAC头部中的以太类型字段判断协议的类型。现在我们在大多数情况下都是使用TCP/IP协议，但除了TCP/IP之外还有很多其他类型的协议，例如NetWare中使用的IPX/SPX，以及Mac电脑中使用的AppleTalk等协议。这些协议都被分配了不同的以太类型，如0080（十六进制）代表IP协议，网卡驱动就会把这样的包交给TCP/IP协议栈；如果是809B则表示AppleTalk协议，就把包交给AppleTalk协议栈，以此类推。
接下来，协议栈会判断这个包应该交给哪个应用程序，并进行相应的处理。
服务器返回的包的以太类型应该是0800，因此网卡驱动会将其交给TCP/IP协议栈来进行处理。接下来就轮到IP模块先开始工作了，第一步是检查IP头部，确认格式是否正确。如果格式没有问题，下一步就是查看接收方IP地址。如果接收网络包的设备是一台Windows客户端计算机，那么服务器返回的包的接收方IP地址应该与客户端网卡的地址一致，检查确认之后我们就可以接收这个包了。
如果接收方IP地址不是自己的地址，那一定是发生了什么错误。客户端计算机不负责对包进行转发，因此不应该收到不是发给自己的包。当发生这样的错误时，IP模块会通过ICMP消息将错误告知发送方。ICMP规定了各种类型的消息。当我们遇到这个错误时，IP模块会通过Destination unreachable消息通知对方。
IP协议有一个叫作分片的功能，网线和局域网中只能传输小包，因此需要将大的包切分成多个小包。如果接收到的包是经过分片的，那么IP模块会将它们还原成原始的包。
分片的包会在IP头部的标志字段中进行标记，当收到分片的包时，IP模块会将其暂存在内部的内存空间中，然后等待IP头部中具有相同ID的包全部到达，这是因为同一个包的所有分片都具有相同的ID。此外，IP头部还有一个分片偏移量（fragment offset）字段，它表示当前分片在整个包中所处的位置。根据这些信息，在所有分片全部收到之后，就可以将它们还原成原始的包，这个操作叫作分片重组。
然后TCP模块会根据IP头部中的接收方和发送方IP地址，以及TCP头部中的接收方和发送方端口号来查找对应的套接字
找到对应的套接字之后，就可以根据套接字中记录的通信状态，执行相应的操作了。例如，如果包的内容是应用程序数据，则返回确认接收的包，并将数据放入缓冲区，等待应用程序来读取；如果是建立或断开连接的控制包，则返回相应的响应控制包，并告知应用程序建立和断开连接的操作状态。
所有的包在传输到目的地的过程中都是独立的，相互之间没有任何关联。
实际上，现在家里用的路由器已经集成了集线器和交换机的功能。
以太网信号的本质是正负变化的电压，大家可以认为网卡的PHY（MAU）模块就是一个从正负两个信号端子输出信号的电路。
然后，信号会通过网线到达集线器的接口，这个过程就是单纯地传输电信号而已。
信号失真的原因
集线器收到的信号有时会出现衰减。信号在网线的传输过程中，能量会逐渐损失。网线越长，信号衰减就越严重。
以太网中的信号波形是方形的，但损失能量会让信号的拐角变圆，这是因为电信号的频率越高，能量的损失率越大。
即便线路条件很好，没有噪声，信号在传输过程中依然会发生失真，如果再加上噪声的影响，失真就会更厉害。
但如果本来就已经衰减的信号再进一步失真，就会出现对0和1的误判，这就是产生通信错误的原因。
