两台电脑之间是如何通信的

电脑A和B，通过网线进行连接

数据传输：

继续扩展，三台电脑呢，A向B传输数据：

这就产生了疑问：

1. 为什么数据要在两个网线上都传输呢，不能直接发送给B吗？
2. B和C都收到了数据，这不传错了吗？

如同寄快递一样，有效的快递包裹，有寄件和收件地址。每台电脑出厂都有自己的身份证号，叫做MAC地址。发送数据前，得人为的获取到B的MAC地址(有专门的获取方式)。将信息加到数据包中，一起传输。

数据包整理好之后，A也并不知道网线的另一端是谁，所以只能全部发送(术语广播)，B和C都会接收到数据。B和C可以识别到数据包中的目标MAC地址，B发现是自己的地址，则接受，C发现不是自己的地址选择忽略。

传输过程：

如果100台电脑需要相互通信，不可能每台电脑同时插100根网线，硬件也无法支持，于是出现了集线器(也叫HUB)，负责转发电信号。

集线器

传输过程：

集线器只能转发电信号，所以A发送数据包到B，集线器要将数据包对所有的接口进行发送(包括来源的A)

这产生了很多问题

1. 任一的电脑总是会收到与自己无关的数据包，要进行忽略处理(占用电脑资源)

2. 网线中同一时间能够传输的数据包是有上限的(硬件设施的能力上限)。线路中存在大量的广播数据，有效的数据占比低，如果大量的数据要通过集线器传输，就会变得很困难。

3. 如果A->B,C->D同时发送数据包到集线器，两个数据包会碰到一起，这就是数据碰撞。集线器无法处理转发，只能广播告诉所有电脑有数据碰撞了，你们得重新发送数据包了。可见数据传输效率很低。

怎么优化呢，于是出现了交换机

交换机

传输过程：

交换机可以把数据包直接转发到连接B的网线接口，至于交换机如何获取到MAC的映射包？上图只是一个最终的版本，实际上交换机完成数据传输需经历以下两个阶段

交换机自身会维护一个MAC地址和它的网线接口的映射表，初始为空

一阶段：

1. 电脑A把数据包发往交换机
2. 交换机将A的MAC地址和接口对应关系，加入到它的映射表中
3. 由于映射表并没有B的映射关系，所以需要泛洪（将数据包发往除了A网线的所有其他接口）
4. 电脑B接收到数据包，其他电脑由于数据包与各自MAC不匹配则忽略数据。

二阶段：

随着电脑之间的不断发送数据，交换机的映射表就会存有所有映射关系，发送数据就变成以下方式

1. 电脑A把数据包发往交换机
2. 交换机查询到了目标B的MAC地址映射信息
3. 交换机将数据从接口2发往B
4. 电脑B接收到数据

所以在双方通过交换机相互发送过数据一次之后，交换机就可以固定线路转发数据。

所以我们发现相比于集线器来说：

1. 广播的数据变少了，只有初始阶段的时候需要。电脑绝大部分都是处理与自己相关的数据
2. 电脑都是与交换机不同的接口进行连接。同一时间A->B, C->D的数据不会有碰撞了，属于不同的接口。交换机直接进行了转发处理，网络利用率有了很高的提升。

随着电脑的不断增多，一台交换机已经不够了，这我们就想，那就多增加交换机，这可以解决吗？

假设拓扑图如上，12台电脑通过4台交换机互联。 电脑A向电脑J发送数据，由于交换机1不与J直连所以不会有J的MAC地址则进行泛洪，数据发送到交换机2，交换机2也需要进行泛洪，同样交换机3也是如此，交换机4有可能有J的MAC信息，泛洪或者转发给J。

电脑A给电脑J发送数据，要进行多次泛洪，就算是各个交换机维护了各自的MAC映射表，下一次的数据传输，还是要进行泛洪， 这样会带来几个问题

1. 数据的传输效率过低，无法进行直接转发

2. 大量的无效数据包占用着线路。线路利用率低，也会导致线路拥塞，无法传输正常数据包。类似于集线器。

3. 如果继续扩展，成千山万台电脑通过该类拓扑连接，电脑之间将无法通信。

那么大量的电脑该怎么如何进行通信呢？

仅仅通过MAC地址已经无法做到有效的跨交换机通信，这里就要新引出新的概念，ip和路由器。

路由器

ip是一串有规则的数字，例如：192.169.0.2, 我们给互联的每台电脑都设置ip 先看一个有趣的事情，电脑可以通过ip自动帮我们寻找目标的MAC地址，这样不需要人为的去找目标电脑的MAC地址来加到数据包，这就是所谓的ARP协议。

传输过程：

每台电脑都有一个arp缓存表，用来记录其他电脑的ip和MAC的对应关系

1. 准备数据包，由于本机的ARP缓存表中没有B的MAC地址，所以会特殊发送ARP数据包，该数据包中的目标MAC设置为00
2. 数据包发往交换机1，交换机1 由于00的特殊地址，于是进行泛洪
3. B接收到数据后，ARP表存储A的IP-MAC信息后，发送ARP回复包给A。回复包中目标MAC地址为AA，所以进行单播
4. A接收到回复包后，添加B的IP-MAC信息，并重新更新初始的数据包中的MAC信息 这便是完整的通过ip获取MAC地址的ARP协议。

于是A发送数据包给B，在IPP的帮助下，电脑会自动根据IP获取B的MAC信息，来补全数据包，补全后就是单交换机下A与B的通信。

那么A向D如何发送数据包呢？目前我们只是发现路由器的作用是给电脑设置IP，还有其他的作用吗？

这里我们引入一些概念。

子网：图中路由器设置了两个网段，网段1：192.168.0.0/24，网段2：192.168.1.0/24，只要是192.168.0.x这个规则的ip都属于网段1(x最大值为255)，显然，A,B,C属于网段1，D,E,F属于网段2，同一个网段内可以直接相互通信，如同上文描述，不同网段直接需要路由器进行转发来实现。

网关：路由器的接口E0和E1 都有自己的ip，192.168.0.1和192.168.1.1，这就是网关ip，网段1的网关ip为192.168.0.1，该网段下的每台电脑上都存储了这个网关ip信息。

处于不同网段的A和D的通信流程如下：

1. 准备数据包，由于A和D处于不同的网段，不能直接通信，数据的转发需要有路由器处理，所以将目标的MAC地址设置为网关(192.168.0.1)的MAC地址（这里省略了一个环节，A通过APR获取到网关的MAC，假设之前已经获取过）
2. 交换机1接收到数据包，根据自身的MAC映射表，将数据包转发给路由器接口E0。 3. 路由器收到数据包后，增加A的IP-MAC关系到ARP缓存表。缓存表中并没有D的MAC信息，识别到D的ip属于网段192.168.1.0/24，使用接口E1，于是发出ARP数据包寻找D的MAC
3. D收到ARP包后，将网关IP-MAC增加到ARP缓存表，并发送ARP回复包给网关E1
4. 路由器收到ARP回复包后在ARP缓存表增加D的信息。并将原始数据包中的目标MAC更新为D的MAC地址
5. 路由器将完整的数据包，通过E1接口发送。通过交换机传输到D，至此完成。

局域网

我们把上述互通的网络称作局域网，局域网内的网络设备是互通的,我们发现了这些特征

1. 局域网内的设备ip都是唯一的
2. ip都是192.168.x.x开头的

因为ip的总数是有限的，如果每台设备都是全球唯一的ip，这是不现实的，于是就划分了一些特别的网段

10.0.0.0/8
172.16.0.0/12
192.168.0.0/24

上述的ip规则不再此论述

所有的局域网都使用这些网段，所以局域网1有ip为192.168.0.2的设备，局域网2可能也有。这类的ip叫做私网ip，仅供单个局域网内通信使用。

与之对应的是公网ip，公网ip是全球唯一的，例如：100.100.100.1, 公网ip一般都由网络运营商(电信，联通等)来负责分配管理。家里的付费的宽带一般都是有一个唯一的公网ip。

因为公网ip是有唯一性，所以可以使用公网ip可以在互联网中进行相互通信，一个局域网可以使用同一个公网ip，这是怎么做到的呢，一个公网ip怎么可以同时为多台电脑进行传输数据呢？

这里就需要引出新的概念，端口号。

端口号

什么是端口号呢？

一台电脑就像一个科技园区一样，有各种各样的企业，可以支持广告咨询，也可以支持影视制作。端口号就是各个企业的门牌号。找到了门牌号也就找到了企业服务。对应的电脑术语

每台电脑都可以支持大量的服务，每个服务都监听着各自的端口号。所以发送的数据包中需要有目标的端口号，这样电脑接收到数据后，就会根据端口号，把数据转发给对应的服务。

端口号在网络传输中也起了关键的作用

局域网1和局域网2就像两个封闭的系统，对于局域网1来说只能够访问到局域网2的公网ip：100.100.100.2

我们一起来看准备发送的数据包：

• 源端口号：系统会随机分配一个端口号，空闲没被其他程序占用的端口号
• 目标端口号：想要访问C的服务的端口号：8080（这里先保留个疑问）
• 源IP：本机A的私网IP
• 目标IP：私网ip仅对局域网内生效，所以目标ip为局域网2的公网IP
• 源MAC：本机A的MAC
• 目标MAC：由于目标IP为公网IP，非同一个网段，所以目标MAC为网关(192.168.0.1)的MAC地址：R10
• 数据包：真正的发送的数据

路由器怎么做到将私网的数据包发送到公共网络呢？

NAT

路由器不仅维护路由表，还会维护一张NAT表，该表记录着(私网ip:端口号 和 路由器公网ip:路由器端口号)的映射。

1. 准备好数据包，将数据包发送到路由器
2. 路由器收到A的数据包后，会随机分配一个端口号，例如：48302，将192.168.0.2:35501 - 100.100.100.1:48302 这个映射记录到表中。并更新数据包的源IP和源端口号，源IP更换为公网IP:100.100.100.1，源端口号更换为分配的端口号48302
3. 路由器根据自身的路由表查找目标公网ip的映射关系，更新源MAC地址为W10(公网ip接口)，同时更新目标MAC地址为X0(下一跳路由器的接口MAC地址)，将数据包发到下一个路由器。

运营商给分配公网IP的同时会设置好路由表，有时候会使用缺省路由，0.0.0.0/0(可以匹配任意的IP) - X0(运营商设置的下一个路由器的MAC地址)。

关于MAC地址和IP地址传输变更的问题：

MAC地址在同一个广播域传输过程中是不变的，比如同一个子网内，在跨越广播域的时候会发生改变，跨子网或跨局域网。而IP地址在传输过程中是不会改变的（除NAT的时候）

接下来我们看数据包在经历运营商的传输和转发后，如何传输到C，

端口转发

路由器2接收到数据包后，怎么传输给C呢，数据包中没有C信息，只有一个目标的端口号8080，要完成数据转发，需要提前在路由器2中手动设置好端口转发，任何发送到8080端口的数据都会转发到192.168.0.2:8080。

1. 数据包发往路由器2
2. 路由器2接收到数据包，根据目标端口号8080，匹配到了关系映射， 更新数据包的目标IP：192.168.0.2，目标端口号：8080
3. 根据ARP缓存表，更新数据包的目标MAC地址，根据路由表更新源MAC地址为：E20, 将数据通过E20接口发往C
4. 电脑接收到数据包，根据端口号，将数据包转发给监听该端口号的文件服务