5、从物理层到MAC层：如何在宿舍里自己组网玩联机游戏？
开篇词
一旦机器有了 IP，就可以在网络的环境里和其他的机器展开沟通了。
故事就从我的大学宿舍开始讲起吧。
- 我们宿舍四个人，大一的时候学校不让上网，不给开通网络。
- 但是，宿舍有一个人比较有钱，率先买了一台电脑。那买了电脑干什么呢？
- 首先，有单机游戏可以打，比如说《拳皇》。两个人用一个键盘，照样打得火热。
- 后来有第二个人买了电脑，那两台电脑能不能连接起来呢？你会说，当然能啊，买个路由器不就行了。
5.1、第一层（物理层）
使用路由器，是在第三层上。
我们先从第一层物理层开始说。
电脑连电脑，除了网线要交叉，还需要配置这两台电脑的 IP 地址、子网掩码和默认网关。
要想两台电脑能够通信，这三项必须配置成为一个网络，可以一个是 192.168.0.1/24，另一个是 192.168.0.2/24，否则是不通的。
这里我想问你一个问题，两台电脑之间的网络包，包含 MAC 层吗？ 当然包含，要完整。IP 层要封装了 MAC 层才能将包放入物理层。
到此为止，两台电脑已经构成了一个最小的局域网，也即 LAN。 可以玩联机局域网游戏啦！
等到第三个哥们也买了一台电脑，怎么把三台电脑连在一起呢？
先别说交换机，当时交换机也贵。
- 有一个叫做 Hub 的东西，也就是集线器。
- 这种设备有多个口，可以将宿舍里的多台电脑连接起来。
- 但是，和交换机不同，集线器没有大脑，它完全在物理层工作。
- 它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去。 这是第一层物理层联通的方案。
5.2、第二层（数据链路层）
问题：
Hub 采取的是广播的模式，如果每一台电脑发出的包，宿舍的每个电脑都能收到，那就麻烦了。
需要解决几个问题：
- 这个包是发给谁的？谁应该接收？
- 大家都在发，会不会产生混乱？有没有谁先发、谁后发的规则？
- 如果发送的时候出现了错误，怎么办？
这几个问题，都是第二层，数据链路层，也即 MAC 层要解决的问题。
MAC 的全称是 Medium Access Control，即媒体访问控制。控制什么呢？
其实就是**控制在往媒体上发数据的时候，谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。**这解决的是第二个问题。
这个问题中的规则，学名叫多路访问。有很多算法可以解决这个问题。就像车管所管束马路上跑的车，能想的办法都想过了。
解决第二个问题：
接下来这三种方式：
- 方式一：分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分；
- 方式二：今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议；
- 方式三：不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这
解决第一个问题： 发给谁，谁接收？
用到一个物理地址，叫作链路层地址。常被称为MAC 地址。
牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网：
- 第二层的最开始，就是目标的 MAC 地址和源的 MAC 地址。
- 接下来是类型，大部分的类型是 IP 数据包；
- IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等，这都是里层封装的事情。
- 第二层的最后面是 CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误，主要解决第三个问题。
还有一个问题：
当源机器知道目标机器的时候，可以将目标地址放入包里面，如果不知道呢？
一个广播的网络里面接入了 N 台机器，我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢？
这就是 ARP 协议，也就是已知 IP 地址，求 MAC 地址的协议。
在一个局域网里面，当知道了 IP 地址，不知道 MAC 怎么办呢？靠“吼”。
广而告之，**发送一个广播包，谁是这个 IP 谁来回答。**具体询问和回答的报文就像下面这样：
为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。
当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。
5.3、局域网
至此我们宿舍四个电脑就组成了一个局域网。用 Hub 连接起来，就可以玩局域网版的《魔兽争霸》了。
这种组网的方法，对一个宿舍来说没有问题，但是一旦机器数目增多，问题就出现了。
因为 Hub 是广播的，不管某个接口是否需要，所有的 Bit 都会被发送出去，然后让主机来判断是不是需要。
这种方式路上的车少就没问题，车一多，产生冲突的概率就提高了。而且把不需要的包转发过去，纯属浪费。
看来 Hub 这种不管三七二十一都转发的设备是不行了，需要点儿智能的。
因为每个口都只连接一台电脑，这台电脑又不怎么换 IP 和 MAC 地址，只要记住这台电脑的 MAC 地址，如果目标 MAC 地址不是这台电脑的，这个口就不用转发了。
谁能知道目标 MAC 地址是否就是连接某个口的电脑的 MAC 地址呢？
这就需要一个能把 MAC 头拿下来，检查一下目标 MAC 地址，然后根据策略转发的设备—二层设备，交换机。
交换机怎么知道每个口的电脑的 MAC 地址呢？
交换机会学习
学习方法：
- 一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑，当这个包到达交换机的时候，一开始交换机也不知道 MAC2 的电脑在哪个口，所以没办法，它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。
- 此时，交换机会记住，MAC1 是来自一个明确的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的，直接发送到这个口就可以了；
- 学习一段时间后，就有了整个网络的一个结构了，这个时候，基本上不用广播了，全部可以准确转发；
- 当然，每个机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，因而交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。
小结
- MAC 层是用来解决多路访问的堵车问题的；
- ARP 是通过吼的方式来寻找目标 MAC 地址的，吼完之后记住一段时间，这个叫作缓存；
- 第三，交换机是有 MAC 地址学习能力的，学完了它就知道谁在哪儿了，不用广播了。
思考
1、ARP 协议，即已知 IP 地址求 MAC；还有一种 RARP 协议，即已知 MAC 求 IP 的，你知道它可以用来干什么吗？
之前有无盘工作站，即没有硬盘的机器，无法持久化ip地址到本地，但有网卡，所以可以用RARP协议来获取IP地址。
RARP可以用于局域网管理员想指定机器IP（与机器绑定，不可变），又不想每台机器去设置静态IP的情况；
可以在RARP服务器上配置MAC和IP对应的ARP表，不过获取每台机器的MAC地址，好像也挺麻烦的。
2、如果一个局域网里面有多个交换机，ARP 广播的模式会出现什么问题呢？
- ARP广播时，交换机会将一个端口收到的包转发到其它所有的端口上。
- 比如数据包经过交换机A到达交换机B，交换机B又将包复制为多份广播出去。
- 如果整个局域网存在一个环路，使得数据包又重新回到了最开始的交换机A，这个包又会被A再次复制多份广播出去。
- 如此循环，数据包会不停得转发，而且越来越多，最终占满带宽，或者使解析协议的硬件过载，行成广播风暴。
