ip与mac-数据包传输过程学习

你管这破玩意叫网络？

内容来源于飞天闪客，以前没有学习过网络的相关基础知识，只会去瞎设置，现在终于是弄明白了。

多台电脑之间想要通信，可以直接通过一条网线进行连接。但是随着网线的增加，这个就会比较繁杂了。

所以就有了集线器这样的设备。

集线器会将包不做任何处理的分给每个设备。这样的话就不知道包是谁发给谁的了，但是每个设备都有自己的mac物理地址，数据中再加上从哪个mac来，发送到目标mac地址就好了。

当然，这个时候，其他电脑其实还是可以看到不属于自己的包的数据的内容，所以就有了新的需求：将包只发给一个设备就好了——更加智能的集线器：交换机。

交换机内部维护着一张mac地址表，记录了每个设备的mac地址和对应的交换机端口号。这个时候包在传递的时候就会根据包信息，将包数据传输给对应的端口。
但是最开始的时候mac表是空的，是怎么样一点点维护起来的呢？

一开始的时候交换机就是一个集线器，不过它知道学习，把流经自己的数据包携带的信息记录下来了，然后就学习到对应的mac映射表：

这基本就是现在常用的单交换机的形式，但是交换机的端口也不够用了怎么办呢？于是就有了多个交换机之间的通信。



这个时候一个端口对应的mac地址也就会变多了，所以要维护的mac地址表也就会逐渐增加，此时应该怎么办呢？
那这时就又有了新的设备了，在交换机与交换机之间连接一个新的设备。没错，就是大家非常常见的路由器了。

它的功能就是作为一台独立的mac地址设备，将数据包作一次性转发。路由器每个端口都是由独立的mac地址。
左边的端口6对应路由器的mac地址，那问题是端口6的数据怎么先发给路由器的呢（原本是要发给E,F,G,H这四个设备的）？
此时就引入了ip地址的概念了192.168.0.1。此时我们再来看完整的发布过程：

一包数据带有对应的源mac，目标mac。源ip，目标ip等信息。
a与b通信时，直接可以通过交换机获得信息，通过源mac和目标mac就可以传递。
a与c通信时，a需要先把数据发给路由器，然后再转交给c。
a要给c，过程中先给到路由器，所以数据链路层的目标mac要是路由器的mac地址，网络层的ip必须时a的ip到c的ip。
先看传给路由器的时候，数据是：

由于数据先给路由器，此时的目标mac和目标ip对应如上所示。接下来路由器给到c的时候，有个神奇的过程，它会把目标mac自动变成目标ip对应的mac地址。

那么问题就来了，如果a给c发送数据，怎么知道需要路由器转发数据呢？
这里就涉及到子网的概念，如果源ip与目标ip再同一个子网，直接将包通过交换机发出去。如果源ip与目标ip不在同一个子网，就会交给路由器去处理。是否在同一个子网又是通过掩码去判断的，也就是说192.68.0开头的就是同一个子网，否则就不是同一个子网。
掩码常用255.255.255.0，将原ip与掩码进行与运算，相等就是同一个子网。计算结果如下：

第二个问题，a怎么知道哪个是路由器的呢？
有一个默认网关的概念，默认网关就是一个ip地址。当遇到不是在同一个子网的电脑时，先把包发给默认网关对应的ip地址，所以就会先给路由器的ip地址。

还有一个问题，数据包在发送时是需要mac地址和ip地址的，现在虽然有了ip的相关数据了，但是没有mac地址。

此时是一个叫ARP协议的东西，这个机制会把ip与mac地址进行对应，同样，需要先进行一次映射。这个协议是广泛使用的，交换机和路由器都会要通过ARP协议维护一个ip与mac的映射表。

对于交换机来说，还有一个路由表，对应的是ip和端口，把目标ip范围得到，查表得到端口。当然也是存在ARP协议的，将mac地址获取到。

最后我们来完整看一下数据包的传输过程。



涉及到的三张表分别是mac地址表（交换机）-映射mac地址和端口，路由表-映射ip和端口，arp缓存表（电脑和路由器中都有）-映射ip和mac地址