所謂換個角度，就是從三層物理設備（物理層、數據鏈路層、網絡層）開始，串聯起整個網絡的工作原理

可能有些小伙伴看見物理設備天生就犯困，反手就準備關閉文章，且慢！本文只是簡單的介紹這幾個設備的功能，并不會涉及復雜的底層硬件原理，不一定嚴謹，并且摒棄了很多細節，但讀起來一定通俗易懂，幫助你迅速搭建起計網的知識框架。

什么是數據？

首先我們需要知道，網絡上傳輸的東西是什么？所謂數據，什么是數據

假設你要傳輸的數據是 name = "小牛肉"，那么經過從應用層開始經過層層封裝，到達物理層進行傳輸的時候，你的數據已經被封裝進了很多東西：

首部里面具體是什么，不是本文的重點，你只需要知道其中有這么幾個字段很重要：

源 IP 地址

源 MAC 地址

目標 IP 地址

目標 MAC 地址

每一臺計算機都有自己的 IP 地址和 MAC 地址。

物理層設備：集線器

假設一個網絡上有 A B C D E 五臺計算機，A 想要給 C 發送數據包，那么數據包被發送出來后它怎么知道 C 在哪里？

古老的物理層設備 “集線器” 出現了

A 通過集線器給 C 發送消息

如上圖所示，集線器上面有若干個端口，每個端口都連著一臺計算機，假設 A 計算機對應端口 1， B 計算機對應端口 3，C 計算機對應端口 7......

那么 A 想要給 C 發送消息，消息要經過誰？沒錯，首先要經過集線器

集線器不是很聰明，他其實也不知道 C 到底在哪里，所以他會將 A 的消息廣播給所有的計算機，由各個計算機自己判斷是不是發送給自己的消息。

數據鏈路層設備：交換機

雖然集線器確實有用，但也導致了消息爆炸，原來我只要發給計算機 B 的消息，現在卻要發給連接到集線器上的所有計算機，這樣無論是從經濟還是效率上來說都不是一個很好的選擇。如果把這個集線器弄得更智能一些，只發給目標計算機就好了。

既然只發送給一個計算機，那我們首先需要唯一定位這個計算機。

通過什么來定位？發送出來的數據包中其實已經封裝好了，就是通過目標計算機的 MAC 地址來進行唯一定位。

A 通過交換機給 C 發送消息

那具體是怎么做到的呢？

事實上，交換機內部維護一張 【MAC 地址表】，記錄著每一個 MAC 地址的設備，連接在哪一個端口上。

如果發來的包首部中包含的目標 MAC 地址在 MAC 地址表中沒有映射關系，交換機就將此包廣播給所有端口，也即發給了所有機器；

如果地址表有映射，那就只發給那一個端口

比如 A 想要給 C 發送消息，一開始交換機的 MAC 地址表是空的，交換機并不知道 C 的端口號，因此 A 發送的消息將會被廣播，同時，A 的 MAC 地址和它對應的端口號會被記錄到 MAC 地址表中。

A 通過交換機給 C 發送消息，此時 MAC 地址表為空

這樣，C 對 A 的消息進行響應的時候，交換機就不需要進行廣播消息了，因此它已經知道 A 計算機在哪個端口了，并且同樣的，C 的 MAC 地址和它對應的端口號會被記錄到交換機的 MAC 地址表中。

C 通過交換機給 A 發送消息，此時 MAC 地址表中含有 A 的信息

網絡層設備：路由器

交換機似乎看起來已經是最優解了，但事實上，隨著計算機設備越來越多，交換機的端口都不夠用了，當然你肯定能想到可以用將多個交換機互相連接起來，然后每個交換機之間都互相共享他們的 MAC 地址表。但隨著計算機數量的增長，比如 10 億臺設備，100 萬個交換機，那這 100 萬個交換機都需要各自維護包含 10 億條記錄的 MAC 地址表，無論是從經濟還是效率上來說這也都不是一個很好的選擇。

所以將交換機連接在一起這個思路確實沒有錯，但不能粗暴的直接連接在一起，得想個辦法，讓每個交換機仍然只需要維護和自己連接的設備的 MAC 地址表，同時還能和其他交換機進行共享

路由器應用而生。

路由器同樣有很多端口，每一個端口都擁有一個 MAC 地址和一個 IP 地址，每一個端口都連著一個局域網（或者說子網或者說 IP 地址段也行，本文就不過多區分子網和局域網的含義了）或者另一個路由器

舉個簡單的例子，有兩個子網，每個子網內都只有一個交換機，交換機上連接著若干個計算機設備，用路由器把這兩個交換機連接起來，當兩個子網之間需要進行通信的時候，通過路由器就可以實現了。

那具體是怎么做到的呢？

事實上，路由器內部同樣維護著一張表，這張表稱為【路由表】，記錄著每一個局域網（IP 地址段）和它對應的端口。

比如某個路由器的端口 0 上連接著 192.168.0.x 的 IP 地址段，端口 1 上連接著 192.168.1.x 的 IP 地址段，那么路由表就是下面這樣：

大伙一定發現了上面路由表中還有 ”下一跳“ 這個字段，很簡單，一個路由器的端口畢竟是有限的，不可能一個路由器連接所有的 IP 地址段，因此，如果該路由器發現目標計算機的 IP 地址不在自己管轄的 IP 地址段之內，就會通過下一跳地址轉發給其他的管轄這個 IP 地址的路由器

路由器具體是怎么工作的呢？比如 A 給 C 發送數據，A 在子網號為 192.168.0.x 的子網，而 C 在子網號為 192.168.1.x 的子網，那么 A 首先需要知道 C 和自己是不是在同一個子網：

如果是同一個子網，那么直接把數據發送給交換機就可以了

如果不是同一個子網，那么需要經過路由器的轉發，A 需要把數據通過交換機發送給路由器，然后由路由器決定該發送給哪個子網

A 通過路由器給 C 發送消息

這里有兩個問題：

1）A 如何判斷是否和 C 在同一個子網？

答案：這個簡單，也不是本文重點，不過多介紹了，就是將源 IP 與目的 IP 分別同子網掩碼進行與運算，結果相等就是在同一個子網

2）A 如何知道哪個設備是路由器？

答案：每個計算機上都要設置【默認網關】

其實說發給路由器不準確，應該說 A 會把數據包發給默認網關。

對 A 來說，A 只能直接把數據包發給同處于一個子網下的某個 IP 上，所以其實發給路由器還是發給某個計算機設備，對 A 來說并沒有什么區別，反正它只認得 IP 地址。

所以默認網關，其實就是 A 在自己電腦里配置的一個 IP 地址，以便在發給不同子網的設備時，發給這個 IP 地址。

總結

如下圖 A 給 F 發送一個數據包，我們來梳理下整個通信過程：

A 給不同子網的 F 發送消息

1）首先 A（192.168.0.1）通過子網掩碼（255.255.255.0）計算出自己與 F（192.168.3.2）并不在同一個子網內，于是決定發送給默認網關（192.168.0.222）

2）A 通過 ARP 協議找到 默認網關 192.168.0.222 的 MAC 地址（數據鏈路層需要知道 MAC 地址才能傳輸數據）

3）A 將源 MAC 地址（AA-AA-AA-AA）與網關 MAC 地址（MM-MM-MM-MM）封裝在數據鏈路層頭部，又將源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.3.2）（注意這里千萬不要以為填寫的是默認網關的 IP 地址，從始至終這個數據包的兩個 IP 地址都是不變的，只有 MAC 地址在不斷變化）封裝在網絡層頭部，然后發送數據包

報文格式

4）第一個交換機收到數據包后，發現目標 MAC 地址是 MM-MM-MM-MM，轉發給第一個路由器

5）數據包來到了第一個路由器，發現其目標 IP 地址是 192.168.3.2，查看其路由表，發現了下一跳的地址是 192.168.100.21

6）所以此時該路由器需要做兩件事，一是再次匹配路由表，找到下一跳 192.168.100.21 匹配的端口號，二是從這個端口把數據包轉發出去

7）此時第二個路由器收到了數據包，看到其目的地址是 192.168.3.2，查詢其路由表找到匹配的端口號，并準備從該端口把數據包轉發出去

8）但此時路由器需要知道 192.168.3.2 的 MAC 地址才行，于是查看其 ARP 緩存，找到其 MAC 地址為 FF-FF-FF-FF，并將其封裝在數據鏈路層頭部，從上個步驟確定的端口將包轉發出去。

9）如上圖所示，對應的交換機收到了數據包，發現目的 MAC 地址為FF-FF-FF-FF，查詢其 MAC 地址表，從對應的端口把數據包發出去。

10）數據包最終成功抵達計算機 F，F 發現目的 MAC 地址就是自己，于是收下了這個數據包

編輯：黃飛

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