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趣談網絡協議 - 第5講 | 從物理層到MAC層：如何在宿舍裏自己組網玩聯機遊戲？
上一節，我們見證了 IP地址的誕生，或者說是整個操作系統的誕生。一旦機器有了 IP,就可以在網絡的環境裏和其他的機器展開溝通了。
故事就從我的大學宿舍開始講起吧。作爲一個八零後，我要暴露年齡了。
我們宿舍四個人，大一的時候學校不讓上網，不給開通網絡。但是，宿舍有一個人比較有錢，率先買了 —臺電腦。那買了電腦幹什麼呢？
首先，有單機遊戲可以打，比如說《拳皇》。兩個人用一個鍵盤，照樣打得火熱。後來有第二個人買了電腦，那兩臺電腦能不能連接起來呢？你會說，當然能啊，買個路由器不就行了。
現在一臺家用路由器非常便宜，一百多塊的事情。那時候路由器絕對是奢侈品。一直到大四，我們宿舍都沒有買路由器。可能是因爲那時候技術沒有現在這麼發達，導致我對網絡技術的認知是逐漸深入的， 而且每一層都是實實在在接觸到的。
第一層（物理層）
使用路由器，是在第三層上。我們先從第一層物理層開始說。
第一層（物理層）
物理層能折騰啥？現在的同學可能想不到，我們當時去學校配電腦的地方買網線，賣網線的師傅都會問，你的網線是要電腦連電腦啊，還是電腦連網口啊？
我們要的是電腦連電腦。這種方式就是一根網線，有兩個頭。一頭插在一臺電腦的網卡上，另一頭插在另一臺電腦的網卡上。但是在當時，普通的網線這樣是通不了的，所以水晶頭要做交叉線，用的就是所謂的1-3、2-6交叉接法。
水晶頭的 第1、2腳 和 第3、6腳，它們分別起着收、發信號的作用。將一端的1號和3號線、2號和6號線互換一下位置，就能夠在物理層實現一端發送的信號，另一端能收到。
當然電腦連電腦，除了網線要交叉，還需要配置這兩臺電腦的IP地址、子網掩碼和默認網關。這三個概念上一節詳細描述過了。要想兩臺電腦能夠通信，這三項必須配置成爲一個網絡，可以一個是192.168.0.1/24，另一個是 192.168.0.2/24, 否則是不通的。
這裏我想問你一個問題，兩臺電腦之間的網絡包，包含MAC層嗎？當然包含，要完整。IP層要封裝了 MAC層才能將包放入物理層。
到此爲止，兩臺電腦已經構成了一個最小的局域網，也即 LAN。可以玩聯機局域網遊戲啦！
等到第三個哥們也買了一臺電腦，怎麼把三臺電腦連在一起呢？
先別說交換機，當時交換機也貴。有一個叫作 Hub 的東西，也就是集線器。這種設備有多個口，可以將宿舍裏的多臺電腦連接起來。但是，和交換機不同，集線器沒有大腦，它完全在物理層工作。它會將自己收到的每一個字節，都複製到其他端口上去。這是第一層物理層聯通的方案。
第二層（數據鏈路層）
第二層（數據鏈路層）
你可能已經發現問題了。Hub採取的是廣播的模式，如果每一臺電腦發出的包，宿舍的每個電腦都能收 到，那就麻煩了。這就需要解決幾個問題：
- 這個包是發給誰的？誰應該接收？
- 大家都在發，會不會產生混亂？有沒有誰先發、誰後發的規則？
- 如果發送的時候出現了錯誤，怎麼辦？
多路訪問算法 解決 媒體訪問控制問題：誰先發、誰後發？
這幾個問題，都是第二層，數據鏈路層，也即MAC層要解決的問題。MAC的全稱是 Medium Access Control，即媒體訪問控制。控制什麼呢？其實就是控制在往媒體上發數據的時候，誰先發、誰後發的問題，防止發生混亂。這解決的是第二個問題。這個問題中的規則，學名叫多路訪問。有很多算法可以解決這個問題。就像車管所管束馬路上跑的車，能想的辦法都想過了。
比如接下來這三種方式：
- 方式一：分多個車道。每個車一個車道，你走你的，我走我的。這在計算機網絡裏叫作
信道劃分； - 方式二：今天單號出行，明天雙號出行，輪着來。這在計算機網絡裏叫作
輪流協議； - 方式三：不管三七二十一，有事兒先出門，發現特堵，就回去。錯過高峯再出。我們叫作
隨機接入協議。著名的以太網，用的就是這個方式。
解決了第二個問題，就是解決了媒體接入控制的問題，MAC的問題也就解決好了。這和MAC地址沒什麼關係。
鏈路層地址 網絡包格式 解決: 發給誰，誰接收？
接下來要解決第一個問題：發給誰，誰接收？這裏用到一個物理地址，叫作鏈路層地址。但是因爲第二層主要解決媒體接入控制的問題，所以它常被稱爲MAC地址。
解決第一個問題就牽扯到第二層的網絡包格式。對於以太網，第二層的最開始，就是目標的MAC地址 和 源的MAC地址。
接下來是類型，大部分的類型是IP數據包，然後IP裏面包含TCP、UDP，以及HTTP等，這都是裏層封裝的事情。
有了這個目標MAC地址，數據包在鏈路上廣播，MAC的網卡才能發現，這個包是給它的。MAC的網卡把包收進來，然後打開IP包，發現IP地址也是自己的，再打開TCP包，發現端口是自己，也就是 80，而 nginx就是監聽80。
於是將請求提交給nginx，nginx返回一個網頁。然後將網頁需要發回請求的機器。然後層層封裝，最後到MAC層。因爲來的時候有源MAC地址，返回的時候，源MAC就變成了目標MAC，再返給請求的機器。
CRC（循環冗餘檢測）解決: 如果發送的時候出現了錯誤，怎麼辦？
對於以太網，第二層的最後面是CRC，也就是循環冗餘檢測。通過XOR異或的算法，來計算整個包是否在發送的過程中出現了錯誤，主要解決第三個問題。
ARP協議 解決：不知道目標機器MAC地址
這裏還有一個沒有解決的問題，當源機器知道目標機器的時候，可以將目標地址放入包裏面，如果不知道呢？ 一個廣播的網絡裏面接入了N臺機器，我怎麼知道每個MAC地址是誰呢？這就是ARP協議，也就是已知IP地址，求MAC地址的協議。
在一個局域網裏面，當知道了 IP地址，不知道MAC怎麼辦呢？靠"吼”。
廣而告之，發送一個廣播包，誰是這個IP誰來回答。具體詢問和回答的報文就像下面這樣:
爲了避免每次都用ARP請求，機器本地也會進行ARP緩存。當然機器會不斷地上線下線，IP也可能會變，所以ARP的MAC地址緩存過一段時間就會過期。
局域網
好了，至此我們宿舍四個電腦就組成了一個局域網。用Hub連接起來，就可以玩局域網版的《魔獸爭霸》了。
打開遊戲，進入"局域網選項”，選擇一張地圖，點擊"創建遊戲”，就可以進入這張地圖的房間中。 等同一個局域網裏的其他小夥伴加入後，遊戲就可以開始了。
這種組網的方法，對一個宿舍來說沒有問題，但是一旦機器數目增多，問題就出現了。因爲Hub是廣播 的，不管某個接口是否需要，所有的Bit都會被髮送出去，然後讓主機來判斷是不是需要。這種方式路上的車少就沒問題，車一多，產生衝突的概率就提高了。而且把不需要的包轉發過去，純屬浪費。看來 Hub 這種不管三七二十一都轉發的設備是不行了，需要點兒智能的。因爲每個口都只連接一臺電腦，這臺電腦又不怎麼換IP和MAC地址，只要記住這臺電腦的MAC地址，如果目標MAC地址不是這臺電腦的，這個口就不用轉發了。
交換機
誰能知道目標MAC地址是否就是連接某個口的電腦的MAC地址呢？這就需要一個能把MAC頭拿下來，檢查一下目標MAC地址，然後根據策略轉發的設備，按第二節課中講過的，這個設備顯然是個二層設備，我們稱爲交換機。
交換機怎麼知道每個口的電腦的MAC地址呢？這需要交換機會學習。
一臺MAC1電腦將一個包發送給另一臺MAC2電腦，當這個包到達交換機的時候，一開始交換機也不知道MAC2的電腦在哪個口，所以沒辦法，它只能將包轉發給出了來的那個口之外的其他所有的口。但是，這個時候，交換機會幹一件非常聰明的事情，就是交換機會記住，MAC1是來自一個明確的口。以後有包的目的地址是MAC1的，直接發送到這個口就可以了。
當交換機作爲一個關卡一樣，過了一段時間之後，就有了整個網絡的一個結構了，這個時候，基本上不用廣播了，全部可以準確轉發。當然，每個機器的IP地址會變，所在的口也會變，因而交換機上的學習的結果，我們稱爲轉發表，是有一個過期時間的。
有了交換機，一般來說，你接個幾十臺、上百臺機器打遊戲，應該沒啥問題。你可以組個戰隊了。能上網了，就可以玩網遊了。
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小結
好了，今天的內容差不多了，我們來總結一下，有三個重點需要你記住：
第一，MAC層是用來解決多路訪問的堵車問題的；
第二，ARP是通過吼的方式來尋找目標MAC地址的，吼完之後記住一段時間，這個叫作緩存；
第三，交換機是有MAC地址學習能力的，學完了它就知道誰在哪兒了，不用廣播了。
最後，給你留兩個思考題吧。
- 在二層中我們講了 ARP協議，即已知IP地址求MAC ；還有一種RARP協議，即已知MAC求IP 的，你知道它可以用來幹什麼嗎？
- 如果一個局域網裏面有多個交換機，ARP廣播的模式會出現什麼問題呢？