计算机网络 ---如何寻找目标计算机

序言

 在没有产生网络之前，单个主机就像汪洋大海之间的一个孤岛，和其他主机之间没有任何联系。但随着需求的产生，免不了两台主机之间需要产生交流（传送数据等）。离得近的两台主机之间搭一根网线就能够解决，但是如果两台主机之间的距离隔得十分远呢？
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1. 原始方法

 如果两台主机之间需要通信该怎么办呢？最简单的方式就是两台主机各开一个网口，使用网线将该主机之间相连这就好啦：

如果想要再加入一台主机，我们只需要将各个设备各开两个网口，再使用网线相连：

问题慢慢就显现出来了：

• 一个设备的网口肯定是有限的
• 当相连的设备多了，整个网线将变得十分复杂，不利于管理维护

2. 集线器

 为了更好的解决多台主机互联的问题，集线器由此而生了：

当网络中的某个节点（如计算机）通过集线器发送数据包时，集线器首先接收这个数据包，之后他将这个数据包广播转发给所有连接到它的其他端口，目标设备会接受该数据包，其他设备会丢弃。

2.1 Mac地址

 问题来了，其他设备怎么知道这个数据包是否是发给自己的呢？为了确定数据的接收方，每台计算机需要确定一个全局的标识，称为 Mac地址：

假设现在 设备A 有一个数据包需要发送给 设备B：

我们来还原一下场景：

1. A 将该数据发送给集线器
2. 集线器一股脑将数据转发给除了 A 的所有设备
3. 其他设备查看到目标 Mac地址 和自己的不相符直接丢弃，B 则顺利接受
   
   

2.2 集线器的缺点

 集线器解决了网络线路复杂的问题，但是同时也存在着不可忽视的缺点：

• 集线器是一个 半双工 设备，意味着同一时间只有一个设备可以接发数据，多个设备同时工作会导致数据冲突
• 集线器每次都会将接受的数据发送到全部网络设备（泛洪），这大大的浪费了网络资源

3. 交换机

 为了解决集线器的一系列问题，产生了交换机。交换机的改进体现在 可以学习和识别连接在它设备上面的 Mac 地址，具有自动寻址的能力，并且交换机还支持全双工通信即，允许设备同时发送接受数据。

3.1 Mac表

 交换机实现自动寻址的关键在于 Mac表，该表将交换机的端口和相连的主机 Mac地址建立了一个联系：

当转发数据时，直接将数据包转发到目的 Mac地址 对应的端口，避免了广播带来的泛洪问题，提高了效率。

 那是如何建立 Mac表 的呢？最开始 Mac表 是空的，现在 设备A 需要发送数据到 设备B：

1. A 需要将数据发送到交换机，由于数据包从端口 4 进入的交换机，那么该表就会记录端口 4 对应 A 的 Mac地址
2. 交换机发现目标 Mac地址 并没有在表中建立映射关系，所以第一次会广播该数据
3. 只有 B 接受了该数据并作出响应，所以只有 B 会传输响应数据到交换机
4. 该表记录端口 1 对应 B 的 Mac地址

经过一段时间的运行，交换机将会建立所有对应设备和端口的映射关系。

3.2 交换机桥接

 一个交换机的端口肯定也是有限的，随着需要连接的设备越来越多，该怎么办呢？增加交换机的端口，该方法治标不治本。两个交换机之间桥接：

桥接之后，又该如何跨交换机进行通信呢？就拿 A 和 E 通信来举例吧：

1. A 将数据发送给交换机 1，交换机 1 发现 Mac 表中并没有 E 的 Mac地址，同时 2 3 4 的映射已经记录在表中了
2. 于是，交换机 1 会将数据包广播给 5 6 号端口
3. 交换机 2 通过 6 号端口接收到数据包，之后交换机 2 发现目标 Mac地址 和 E 一致，直接转发给 E
4. E 接受数据后发送响应数据，交换机 2 将相应数据发送给交换机 1，交换机 1 接受响应数据，并将 E 的 Mac地址 和端口建立映射关系

桥接交换机进一步的扩大了进行设备通信的数量和范围。

3.3 交换机的缺点

 面对及大规模的需要通信的设备，强如交换机也有抗不住的一天。当需要建立的映射太多了，会导致交换机的MAC表确实存在溢出的风险:

MAC表溢出后，交换机无法有效地根据MAC地址表进行快速转发，而可能不得不采用广播的方式发送数据帧。这会导致网络中不必要的广播流量增加，占用大量带宽，从而降低网络的整体性能。

4. 路由器

 面对一个需要解决的大规模网络通信的问题，我们可以将首先解决小规模的网络通信问题（在这里我们已经解决了 --- 交换机，并且不易使交换机的 Mac表 溢出）,在提供一个设备实现跨网络之间转发，这个设备就是大家所熟知的 — 路由器。

4.1 IP地址（IPV4）

 举个栗子，假设现在 A 需要和 D 进行通信，怎么确定两者是否在同一个局域网下，是否需要使用路由器呢？

我们需要引入一个新的概念来表示该设备位于哪一个局域网中 — IP地址。那 IP地址 又是如何区分不同网络和设备的呢：

• IP地址 由 4字节 32 位组成
• 二进制表示法实在是过于复杂，为了更好的记忆，我们使用点十进制来表示
• 将每一个字节由十进制表示，并且每个字节之间使用 . 分割

IP地址的前 3 个字节用来表示存在于哪一个网络，最后一个字节用来表示该网络下的哪一台主机：

若两个 IP 地址的前三个字节相同，则位于同一个局域网下。

4.2 IP地址 VS Mac地址

1. 定义

• IP地址（Internet Protocol Address）：用于为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个 逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。（可修改）
• Mac地址（Media Access Control Address）：物理地址，它是分配给网络接口控制器（NIC）的唯一标识符。（不可修改）
  
  

2. 功能

• IP地址（Internet Protocol Address）：标识设备所属的网络和主机，用于跨网络的数据交换和路由选择，不参与数据的实际传输
• Mac地址（Media Access Control Address）：标识设备的唯一身份，用于在同一网络中进行数据的寻址和传输

在跨网络数据传输中，需要连着协力合作才能正确的传输数据到指定目标设备。

3. ARP字母协议

 在通常情况下，我们只知道目标的 IP 地址，怎么获取 Mac 地址呢？

 会使用 arp字母协议 像一个子网中广播一个 arp字母请求

当设备收到请求后，会检查请求中的 IP地址 是否和自己的相匹配，如果匹配则将自己的 Mac地址 打包成一个 arp字母响应 发送回请求设备。

4.3 路由表

 路由器通过读取数据包中的 IP地址 信息，决定最佳的传输路径，将数据包从一个网络转发到另一个网络。这种选择是基于 路由表（Routing Table） 进行的，路由表中包含了到达各个目的网络的最佳路径信息，具体怎么实现查找最佳路径在这里就不多赘述了(主要是本身也不是很懂，嘻嘻😗)。

5. 跨网络传输示例

 我们通过一个实例来总计一下我们今天所学内容吧：

现在 A 需要传输数据到 F 并且 F 的 Mac 地址未知：

1. A 通过 ARP 协议查询当前在网是否存在目标 Mac地址，结果肯定是没有的
2. 当前子网下没有只能出去找了，A 会通过 ARG协议 获取默认网关（路由器1）的 Mac地址
3. 之后发送数据，交换机会将你的数据传输给路由器 1
4. 路由器 1 接受数据后，根据目标 IP 地址 和 子网掩码 获取数据包的目标网络地址
5. 路由器 1 发现该网络地址不在自己所管的网络中，则会根据路由表信息获取最优的传输路径
6. 路由器 1 会将 源 Mac地址 和目标 Mac地址 修改为 自己的Mac地址和路由器 2 的 Mac地址，转发给路由器 2
7. 重复 4 5 6 步骤，最终数据会转发到路由器 4 手中
8. 路由器 4 使用ARP 协议查询目标的 Mac地址 ，根据 Mac地址 转发到 F 设备

6. 总结

 在这篇文章中介绍了设备之间的跨网络通信，希望大家有所收获，再次感谢该 Up主 的创作视频！