计算机⽹络协议（⼆）——从⼆层到三层
底层⽹络知识详解：从⼆层到三层
这个专栏的计算机⽹络协议，我是在极客时间上学习 已经有三万多⼈购买的刘超⽼师的专栏，讲的特别好，像看⼩说⼀样学习到了平时很枯燥的知识点，计算机⽹络的书籍太枯燥，感兴趣的同学可以去付费购买，绝对物超所值，本⽂就是对⾃⼰学习专栏的总结，评论区可以留下你的问题，咱们⼀起讨论！
我在CSDN写博客的⽬的真的不是为了写⽽写，写博客的意义⼀来是⽅便⾃⼰复习，⼆来是也是想分享知识。我并不会说侵犯 刘超 ⽼师的版权，我也不是照抄，作者的⽂章内容很精彩，我是记录⾃⼰想学的点，当作⼀个笔记⽅便⾃⼰复习。⼤家可能看到这篇⽂ 也会去购买专栏学习，或者看到觉得有⼀点点⽤就可以啦！
概述
上⼀篇⽂章中对通信⽹络协议做了⼀个综述，这⼀篇开始底层⽹络知识详解：从⼆层到三层 分为以下五⼩节去介绍：
1. 从物理层到MAC层；
2. 交换机与VLAN；
3. ICMP和ping；
4. ⽹关；
5. 路由协议；
⼀、从物理层到MAC层
1.1 第⼀层(物理层)
电脑连接电脑，除了⽹线交叉，还需要配置这两台电脑的IP地址、⼦⽹掩码和默认⽹关
IP层封装了MAC层才能放⼊物理层，两台电脑可以通过⽹线构成⼀个局域⽹，LAN
多台电脑可以通过Hub集线器进⾏连接。
1.2 第⼆层(数据链路层)
Hub采取的是⼴播的模式，⽆法确定接收者，数据发送混乱没有先后顺序、发送出错怎么办?
MAC层就是要解决这些问题，MAC全称是Medium Access Control(媒体访问控制)，其实就是控制数据在媒体上的发送；
多路访问解决数据发送混乱：
信道划分，例如分为多车道，每个车⼀个道；
轮流协议，单双号出⾏；
随机接⼊协议，错峰出⾏；
为了解决了媒体接⼊控制的问题，就要考虑：发给谁，谁接收？这⾥⽤到⼀个物理地址，叫作链路层地址。但是常⽤于解决流媒体接⼊控制问题，所以常被称为MAC地址。
第⼆层的⽹络包的格式如下图所⽰，⾸先是包含⽬标MAC地址和源MAC地址，类型是IP数据包，IP⾥⾯封装了TCP、UDP，以及HTTP；数据包在链路上⼴播，MAC⽹卡通过⽬标MAC地址接收数据包，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端⼝；
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。
第⼆层的后⾯是CRC，就是循环冗余检测，通过XOR异或的算法，来计算整个包在传输过程中是否发⽣了错误。
在⼀个局域⽹中如果已知IP地址，求MAC地址，可以采⽤ARP协议；⼴播⼀个IP包，谁是这个IP谁来回答，回答的报⽂如下，机器会在本地进⾏ARP缓存来避免每次都⽤ARP协议，随着机器的上下线，缓存也会失效。
交换机是⼀个⼆层设备，假设⼀个数据包要从MAC1发送到MAC2，但是交换机不知道在MAC2电脑的哪个⼝，这个时候会将包发送给所有的⼝，到MAC2电脑的接⼝之后，通过转发表来记录下对应的MAC地址，保证下次准确转发。
当机器的IP地址、端⼝发⽣改变，转发表中的信息也会发⽣改变。
总结：
第⼀，MAC地址是⽤来解决多路访问的堵车问题；
第⼆，ARP是通过吼的⽅式来寻⽬标MAC地址，吼完以后，记住⼀段时间，叫作缓存；
第三，交换机是由MAC地址学习能⼒的，学完了就知道谁在哪⼉了，不⽤⼴播了
⼆、交换机与VLAN
上⽂中讲了交换机，假如公司越来越⼤，交换机数⽬肯定越来越多。交换机之间连接起来，就形成复杂的拓扑结构。这么多⽹线，绕过来绕过去，不可避免地会出现⼀些意料不到的情况，其中常见的问题就是环路问题，如下图所⽰：
这就需要采⽤使⽤STP协议，解决环路问题：
在数据结构中，有⼀个⽅法叫作最⼩⽣成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就⽣成了树。在计算机⽹络中，⽣成树的算法叫作STP，全称**Spanning Tree Protocol。**有环路的图变成没有环路的树，从⽽解决环路问题。这⾥我就不细细描述了，感兴趣的同学可以去学习⼀下！
2.1 如何解决⼴播问题和安全问题？
交换机数⽬多，会⾯临⼴播问题和安全问题；⼀⼤波机器和交换机，就是想⼀个公司中相关的部门、不相关的部门，⼤家都在⼀个会议室开会吵吵闹闹的，乱的很，这种⼴播问题就会导致性能下降；
有的部门会议内容需要保密，如果都在⼀个⼴播域⾥⾯，碰到了⼀个会抓包的程序员，就能抓到这些包，如果没有加密，就能看到这些敏感信息了。就像是⼤家都在会议室⾥七嘴⼋⾆，讨论的问题也能被别⼈听见喽，就会导致安全问题。所以，那就要分部门、分会议室。
程序员培训机构去到极客时间⽅法⼀：物理隔离
在⽹络⽅⾯，每个部门都有单独的交换机，配置着单独的⼦⽹，这样部门间的沟通就需要路由器；但是部门中的⼈数不固定，就会导致交换机中的接⼝空闲较多或者不够⽤；
⽅法⼆：虚拟隔离
常说的VLAN，或者说是虚拟局域⽹，使⽤VLAN,⼀个交换机上就会连着属于多个局域⽹的机器。交换机会根据⼆层头上的Tag中的VLAN ID，只有相同VLAN的包，才会互相转发，不同VLAN的包，是看不到的。
对于⽀持VLAN的交换机，有⼀种⼝叫作Trunk⼝。它可以转发属于任何VLAN的⼝。交换机之间可以通过这种⼝相互连接。
三、ICMP和ping
当⽹络不通，你连不上另⼀台机器的时候，⼀般都会ping⼀下，ping是基于ICMP协议⼯作的；
3.1 ICMP协议的格式
ICMP全称Internet Control Message Protocol，就是互联⽹控制报⽂协议。
ICMP是封装在IP包中的，在传输指令的时候，需要源地址和⽬标地址，其格式如下：
ICMP报⽂有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常⽤的类型是主动请求为8，主动请求的应答为0。
3.2 ICMP报⽂类型
查询报⽂类型
ping就是查询报⽂，是⼀种主动请求，并且获得主动应答的ICMP协议；ping发的包符合ICMP协议，只不过在后⾯增加了⾃⼰的格式。
对ping的主动请求，进⾏⽹络抓包，称为ICMP ECHO REQUEST，同理主动请求的回复，称为**ICMP ECHO REPLY.**⽐起原先的ICMP，多了两个字段，⼀个是标识符，就像侦察兵，⼀类是侦察
战况，⼀类是查⽔源，需要采⽤标识对其进⾏区分。另⼀个是序号，ping会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。
差错报⽂类型
ICMP差错报⽂的例⼦：终点不可达为3，源抑制为4，超时为11，重定向为5
1. 终点不可达：⽹络不可达、主机不可达、协议不可达、端⼝不可达、需要进⾏分⽚但设置了不分⽚位；
2. 源站抑制：源站放慢发送速度；
3. 时间超时：超过⽹络包的⽣存时间还没送达；
4. 路由重新定向：下⼀次发给另⼀个路由器；
3.3 ping：查询报⽂类型的使⽤
⼀起来看⼀下ping的发送和接收过程：
假定主机A的IP地址是192.168.1.1，主机B的IP地址是192.168.1.2，它们都在同⼀个⼦⽹，当你在主机A上运⾏“ping
192.168.1.2”后，源主机⾸先会构建⼀个ICMP请求数据包，数据包中包含类型字段和顺序号；
然后，由ICMP协议将这个数据包连同地址192.168.1.2⼀起交给IP层，IP层将以192.168.1.2作为⽬的地址，本机IP地址作为源地址，加上⼀些其他控制信息，构建⼀个IP数据包。
接下来，需要加⼊MAC头，可以通过ARP查询MAC地址，之后传送出去；主机B收到这个数据帧后，先检查它的⽬的MAC地址，并和本机的MAC地址对⽐，如符合，则接收，否则就丢弃。接收后检查该数据帧，将IP数据包从帧中提取出来，交给本机的IP层。同样，IP层检查后，将有⽤的信息提取后交给ICMP协议。
主机B会构建⼀个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机A。在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明⽬标主机不可达；反之，即不可达。
如果跨⽹段的话，还会涉及⽹关的转发、路由器的转发等等。
3.4 Traceroute：差错报⽂类型的使⽤
Traceroute的第⼀个作⽤：故意设置特殊的TTL，来追踪去往⽬的地时沿途经过的路由器
Traceroute的参数指向某个⽬的地的IP地址，它会发送⼀个UDP数据包，将TTL设置为1，也就是说⼀旦遇到⼀个路由器或者⼀个关卡，表⽰其牺牲了，如此反复到达⽬的地址，就获取到了所有路由器的I
P;
Traceroute的第⼆个作⽤：故意设置不分⽚，从⽽确定路径的MTU;
发送分组，并设置“不分⽚”标志。每次收到ICMP"不能分⽚"差错时就会减少分组的长度，直到到达⽬标主机。
总结：
ICMP相当于⽹络世界的侦察兵，分为主动探查的查询报⽂，⼀种异常报告的差错报⽂；
ping使⽤查询报⽂，Traceroute 使⽤差错报⽂；
四、⽹关

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