001-【飞天闪客】你管这破玩意儿叫网络？
原视频：你管这破玩意儿叫网络？
一、MAC地址与交换机
MAC地址（Media Access Control Address），也称为物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。MAC地址由48位二进制数组成，通常由12个16进制数表示，每两个16进制数之间用冒号分隔。例如：00:0c:29:4d:3a
。前6位16进制数表示厂商代码，后6位16进制数表示设备序列号。MAC地址是全球唯一的，每个网络设备都有一个唯一的MAC地址。MAC地址用于在网络中标识设备，以便设备之间进行通信。
集线器
两台计算机之间要通信，在他们之间连接一条网线即可；三台计算机之间要通信，在他们之间两两连接网线即可。但是，随着计算机数量的增加，连接网线的数量也会增加，这显然是不现实的。于是，人们发明了集线器（Hub），将所有设备的网线连接到集线器上，这样，所有设备之间就可以互相通信了。
在发送信息时，在信息前添加信息发送者的MAC地址和接收者的MAC地址，这样接收者就可以根据MAC地址判断信息是否是发送给自己的，从而选择接受或者忽略信息。
集线器的缺点是：当网络中存在多个设备时，每个设备都会接收到其他设备发送的信息，这会导致网络拥塞，降低网络性能。并且由于集线器只是单纯的将一个端口的信息广播给其余设备，无法做到一对一通讯，其安全性较差。那么这时候，人们就需要一种能够实现一对一通信的中转设备，于是交换机就诞生了。
交换机
交换机（Switch）与集线器类似，只是其内部维护着一张MAC地址表，用于记录每个设备的MAC地址和对应的端口。
如果这是a向b发送一个数据包，到了交换机后，交换机会查看MAC地址表，发现b的MAC地址在表中，于是就会将数据包从端口5直接发送给b，而不会发送给其他设备。这样就避免了网络拥塞，提高了网络性能。同时，由于交换机可以做到一对一通讯，其安全性也得到了提高。
那么，这个MAC地址表是如何生成的呢？
在最开始的时候，交换机和集线器没有什么区别，会将接收到的数据包广播到所有设备，交换机在接收到数据包时，会查看数据包中的源MAC地址，并将源MAC地址和对应的端口记录到MAC地址表中。这样，当交换机再次接收到数据包时，就可以根据数据包中的目的MAC地址，从MAC地址表中找到对应的端口，将数据包发送给目的设备。
交换机的出现解决了了集线器的问题，但是随着网络规模的扩大，交换机的端口也出现了不够用的问题。于是，产生了将两台交换机连接到一起的想法。
但是请注意，上图那根蓝色的线在左边交换机中的地址表不是一条记录，而是连接到右边交换机的所有地址表的记录：
所以，虽然看起来交换机的端口数量是够用了，但是其中维护的MAC地址表确实是越来越大了，带来的后果就是存储空间的膨胀，总有一天会出问题的。
思考问题的来源，我们发现，关键在于交换机与交换机之间连接出去的蓝色线，它后面不知道有多少设备会连接进来，从而使得维护的表越来越大。那我们可不可以在交换机与交换机之间接入一个新的设备，这个设备就像一台电脑一样，拥有自己的独立的MAC地址，而且还能帮我们对数据包做一次转发呢？
于是人们又发明了路由器。
二、路由器与IP地址
路由器
路由器（Router）是一种网络设备，作为一台拥有独立MAC地址的设备，它可以帮忙对数据包做一次转发，注意：==路由器每个端口都有独立的MAC地址==。
现在，左边交换机的MAC地址表中，只需要多出来一条路由器MAC地址与其端口的映射关系，就可以成功的将数据包转交给路由器了，后续的传输暂且不管。
那么现在有一个新的问题，如何将发给EFGH的数据包都发给路由器呢？当然，可以将每个设备的MAC地址记录下来，但是又会出现数量太多的问题。
于是乎，你想到在MAC地址上做一下手脚，将左边交换机连接设备的MAC地址定义为LL-…，右侧为RR-…，这样就能区分开来了。比如：从A发给E的数据包，由于目标MAC地址为RR-…，所以会发给路由器，路由器会根据目标MAC地址，将数据包转发给右侧交换机，右侧交换机根据目标MAC地址，将数据包转发给E。但是这样做是不现实的。因为，MAC地址是硬件地址，是由硬件厂商在生产时写入的，我们无法修改。如果要按照上述方式操作，就需要供应商按要求写入生产设备的MAC地址，这显然是不现实的。
既然无法修改MAC地址，那么我们可以再给电脑添加一个随时都能修改的名字，这就是IP地址。
IP地址与子网掩码
IP地址（Internet Protocol Address）是互联网协议地址，是互联网上每个设备的唯一标识。IP地址由32位二进制数组成，通常由4个十进制数表示，每两个十进制数之间用点分隔。例如：192.168.1.1。
由于网络结构改变了，我们发送的数据包结构也要发生改变，需要额外在数据链路层头部和数据层头部之间添加一个网络层头部，用于标识网络层的信息。这样，当数据包到达路由器时，路由器就可以根据网络层头部中的目标IP地址，将数据包转发给对应的设备。
现在，我们用语言来描述一下将数据包从A发送给C的过程：
- 首先，A检查IP地址，发现不是连接在交换机上的设备，==将目标MAC地址修改为路由器的MAC地址==，再将数据包发送到左侧交换机，于是将数据包转发给路由器；
- 然后，路由器检查IP地址，发现是连接在右侧交换机上的设备，于是==根据目标IP地址将数据包中目标MAC地址修改为C的MAC地址==，再转发给右侧交换机；
- 最后，右侧交换机检查MAC地址，发现是连接在端口6上的设备，于是将数据包转发给C。
问题1：A给C发送数据包，怎么知道要通过路由器转发呢？
答案：子网(Subnet)
子网（Subnet）是指一个网络被划分为多个较小的网络，每个较小的网络被称为一个子网。子网是网络地址的一部分，用于标识网络中的设备属于哪个子网。
- 如果源IP与目的IP在同一个子网，直接将包通过交换机发出去；
- 如果源IP与目的IP不在同一个子网，就把包交给路由器去处理。
问题2：怎么判断两个IP是否在同一个子网呢？
答案：子网掩码（Subnet Mask）
子网掩码（Subnet Mask）是一个32位的二进制数，用于标识IP地址中的网络部分和主机部分。子网掩码中的1表示网络部分，0表示主机部分。
子网掩码与IP地址进行按位与运算，得到的结果就是网络地址：
- 如果两个IP地址的网络地址相同，那么它们就在同一个子网；
- 如果两个IP地址的网络地址不同，那么它们就不在同一个子网。
举个例子：
问题3：A如何知道，那个设备是路由器？
答案：在A上要设置默认网关（Default Gateway）
默认网关（Default Gateway）是指当计算机需要访问的IP地址不在同一个子网时，计算机将数据包发送给默认网关，由默认网关进行转发。默认网关通常是一个路由器，用于连接不同的子网。
#### 问题４：如何得知路由器的MAC地址？
答案：ARP协议（Address Resolution Protocol）
ARP协议（Address Resolution Protocol）用于在局域网中查找设备的MAC地址。
我们回到A向B发送数据的场景：
在最开始的时候，A不知道B的MAC地址，于是A会发送一个ARP请求，请求B的MAC地址，B收到请求后，会回复A，A收到回复后，会将B的MAC地址记录下来，下次再向B发送数据时，就可以直接使用B的MAC地址了。
问题5：路由器如何将数据转发过去的？
答案：路由表（Routing Table）
路由表映射了目的寻址范围和端口的关系，路由器根据路由表将数据包转发到对应的端口。路由表还可能包含下一跳（Next Hop）信息，表示数据包如果不能直接传递到目的地，可以再交给下一个路由器来处理。
总结
==网络层（IP协议）本身没有传输包的功能，包的实际传输是委托给数据链路层，也就是以太网中的交换机来实现的。==
涉及到的三张表：
- MAC地址表：==交换机==用来记录MAC地址和端口的映射关系；
- ARP表：==电脑==用来记录IP地址和MAC地址的映射关系；
- 路由表：==路由器==用来记录IP地址和端口的映射关系。
电脑视角
- 首先要知道我的IP以及对方的IP；
- 通过子网掩码判断我们是否处于同一个子网；
- 如果是同一个子网，直接通过ARP协议获取对方的MAC地址，然后通过交换机发送数据；
- 如果不是同一个子网，通过ARP协议获取默认网关的MAC地址，然后通过交换机发送数据，数据包中目标MAC地址为默认网关的MAC地址。
交换机视角
- 我收到的数据包必须有目标MAC地址；
- 通过MAC地址表查映射关系；
- 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去；
- 查不到就所有端口都发出去。
路由器视角
- 我收到的数据包必须有目标IP地址；
- 通过路由表查映射关系；
- 查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去；
- 查不到就返回一个路由不可达数据包。