计算机网络之MAC层

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有一个叫作Hub的东西,也就是集线器。这种设备有多个口,可以将宿舍里的多台电脑连接起来。但是,和交换机不同,集线器没有大脑,它完全在物理层工作。它会将自己收到的每一个字节,都复制到其他端口上去。这是第一层物理层联通的方案。

Hub 采取的是广播的模式,如果每一台电脑发出的包,宿舍的每个电脑都能收到,那就麻烦了。这就需要解决几个问题:

  • 这个包是发给谁的?谁应该接收?
  • 大家都在发,会不会产生混乱?有没有谁先发、谁后发的规则?
  • 如果发送的时候出现了错误,怎么办?

这几个问题,都是第二层,数据链路层,也即 MAC 层要解决的问题。MAC的全称是Medium Access Control,即媒体访问控制。 控制什么呢?其实就是控制在往媒体上发数据的时候,谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。这解决的是第二个问题。这个问题中的规则,学名叫多路访问。有很多算法可以解决这个问题。就像车管所管束马路上跑的车,能想的办法都想过了。

比如接下来这三种方式:

  • 方式一:分多个车道。每个车一个车道,你走你的,我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分;
  • 方式二:今天单号出行,明天双号出行,轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议;
  • 方式三:不管三七二十一,有事儿先出门,发现特堵,就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。 著名的以太网,用的就是这个方式。

解决了第二个问题,就是解决了媒体接入控制的问题,MAC 的问题也就解决好了。这和 MAC 地址没什么关系。

接下来要解决第一个问题:发给谁,谁接收?这里用到一个物理地址,叫作链路层地址。 但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题,所以它常被称为MAC 地址

解决第一个问题就牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网,第二层的最开始,就是目标的 MAC 地址和源的 MAC 地址。

接下来是类型,大部分的类型是 IP 数据包,然后 IP 里面包含 TCP、UDP,以及 HTTP 等,这都是里层封装的事情。

有了这个目标 MAC 地址,数据包在链路上广播,MAC 的网卡才能发现,这个包是给它的。MAC 的网卡把包收进来,然后打开 IP 包,发现 IP 地址也是自己的,再打开 TCP 包,发现端口是自己,也就是 80,而 nginx 就是监听 80。

于是将请求提交给 nginx,nginx 返回一个网页。然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装,最后到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址,返回的时候,源 MAC 就变成了目标 MAC,再返给请求的机器。

对于以太网,第二层的最后面是CRC,也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法,来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误,主要解决第三个问题。

这里还有一个没有解决的问题,当源机器知道目标机器的时候,可以将目标地址放入包里面,如果不知道呢?一个广播的网络里面接入了 N 台机器,我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢?这就是ARP 协议,也就是已知 IP 地址,求 MAC 地址的协议。

在一个局域网里面,当知道了 IP 地址,不知道 MAC 怎么办呢?靠“吼”。

广而告之,发送一个广播包,谁是这个 IP 谁来回答。具体询问和回答的报文就像下面这样:

image.png

为了避免每次都用 ARP 请求,机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线,IP 也可能会变,所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

第一,MAC 层是用来解决多路访问的堵车问题的;

第二,ARP 是通过吼的方式来寻找目标 MAC 地址的,吼完之后记住一段时间,这个叫作缓存;

第三,交换机是有 MAC 地址学习能力的,学完了它就知道谁在哪儿了,不用广播了。