概念
MAC地址
MAC地址也叫物理地址、硬件地址，长度为 48 位，它是由网络设备制造商生产时烧录在网卡的EPROM（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写）。
- 其中前 24 位（00-16-EA）代表网络硬件制造商的编号
- 后 24 位（AE-3C-40）是该厂家自己分配的，一般表示系列号。
- 只要不更改自己的 MAC 地址，MAC 地址在世界是唯一的。
三张表
MAC地址表
作用：交换机中保存MAC地址与端口的映射关系
- 记录每一个MAC地址设备连接到哪一个端口上
- 最初MAC地址为空，则记录首次发送数据设备的源MAC地址和进入端口
- 发送时，没有目标MAC地址映射关系则将数据包发送给所有端口，即发送给所有设备
- 设备接收到自己的数据包，做出响应，响应数据从哪个端口进入，此端口和目标MAC的映射关系会被记录
来源：以太网各个节点之间通过交换机通信，不断完善缓存起来
路由表
- 作用：路由器保存IP地址与端口的映射关系
- 来源：各种路由算法 + 人工培植
ARP缓存表
- 作用：设备和路由器中，用来保存IP地址和MAC地址的映射关系
- 来源：不断通过ARP协议请求逐步完善
hub-集线器
将电信号转发到所有出口（广播），不做任何处理，解决多机通讯。
交换机
集线器只能进行广播，无法指定根据目标MAC进行发送，使用交换机能对指定目标发送数据。
交换机根据自身维护的MAC地址表，找到对应的端口将数据发送出去。
以太网
数据到达交换机，交换机内部通过自己维护的MAC地址表找到目标MAC映射的端口，把数据通过对应端口发送给对应的设备。
这种传输方式组成的小范围网络叫做以太网。
IP地址
数据的发送如果是依赖于MAC地址的话，MAC地址在不人为修改的情况下，前24位为固定厂商编号，当我们需要根据前缀进行子网发布时，就得使用同一厂商的设备，因此引入了一个新的概念-IP地址。
为每台设备分配一个32位的编号（IPV4），将其分成四个部分，中间用点相连，十进制表示为xxx.xxx.xxx
此时每台设备拥有自己的MAC地址，同时又有自己的IP地址
IP地址是软件层面的，可以随时修改
MAC地址一般无法修改，每台设备独一无二
有了IP地址之后，就可以根据前缀进行子网发送，无需使用同一厂家设备
路由器
作为交换机之间的桥梁，进行数据转发（不转发广播帧）。
- 路由表：路由器保存IP地址与端口的映射关系
- ARP缓存表：用来保存IP地址和MAC地址的映射关系
通讯
双机通讯
单机之间通信，通过网线相连。
多机通讯
随着需要通信的电脑数量多了，理论上可以为设备开更多的网口进行设备的接入，但实际上不能无限为电脑开网口。
引入集线器
因此引入了一个中间设备（集线器-hub），需要将网线插到中间设备（集线器-hub），由这个设备进行转发，让彼此通信。
集线器-hub，将电信号转发到所有出口（广播），不做任何处理，解决多机通讯。
所有连接到集线器的设备都有一个全局唯一的标识-MAC地址。当发送数据时，只要在头部拼接上源MAC地址和目标MAC地址，就知道要发送给谁。
接收到数据的机器判断目标MAC地址是否为自己，是则接收，否则抛弃。
引入交换机
虽然设备可以通过MAC地址过滤数据，但是数据仍会发送给所有的设备，既不安全，也浪费网络资源。
因此引入另一个中间设备-交换机。
数据在发送时会带上链路层头部数据，包含源MAC地址、目标MAC地址。
交换机通过自己维护的MAC地址表，找到目标MAC地址对应的端口，将数据发送出去。
交换机级联
随着机器数量增多，单个交换机端口不够用，需要将多个交换机连接起来。
左边交换机端口所连接的交换机，其上所有设备都会在左边交换机的MAC地址表中记录。
| 左边交换机 | 右边交换机 |
|---|---|
 |
 |
这种方式一定程度缓解了多机通讯的压力，但是随着设备的增多，加入级联的交换机随着增多，每台交换机上的MAC地址表会变得越来越大，最终难以维护。
路由器
为了解决MAC地址表庞大问题，引入路由器作为交换机之间的桥梁。
路由器每个端口有自己的MAC地址，作为设备与交换机相连，交换机只需记录路由器端口MAC与交换机连端口的映射，简化了MAC地址表。
之后数据的发送经由路由器进行转发。
路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址！
交换机1和交换机2都多了一条路由器端口的MAC地址与交换机自己端口的映射。
IP地址
由于MAC地址不人为修改的情况下，理论上不可变，当我们需要根据前缀进行子网发布时，就得使用同一厂商的设备，因此引入了一个新的概念-IP地址。
IP地址是软件层面的，可以随时修改，可以规划自己需要的网络拓扑结构。
假如我想要发送数据包给 ABCD 其中一台设备，不论哪一台，就可以这样描述：”将 IP 地址为 192.168.0 开头的全部发送给到路由器”。
之后交由路由器转发给对应的设备。
路由器转发
数据除了数据链路层头部外增加网络层头部。
如上图所示，如果设备A发送数据给设备B，由于连着同一个交换机，其实网络层没有起到作用，直接通过数据链路层头部的MAC地址经由交换机将数据投递给对应的设备
假设设备A发送数据给设备C，此时就需要先将数据交给路由器。
再由路由器转交给C。
问题
如何知道是否要通过路由器转发？
- 如果
源 IP与目的 IP处于一个子网，直接将包通过交换机发出去 - 如果
源 IP与目的 IP不处于一个子网，就交给路由器去处理
什么叫做子网？
将源 IP 与目的 IP 分别同这个子网掩码进行与运算，相等则是在一个子网，不相等就是在不同子网
假设某台机器的子网掩码定为 255.255.255.0
则结果为
A电脑：192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
B电脑：192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
C电脑：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
D电脑：192.168.1.2 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
如果 A 给 C 发消息，A 和 C 的 IP 地址分别 和 A 机器配置的子网掩码做&运算，发现不相等，则 A 认为 C 和自己不在同一个子网，于是把包发给路由器，就不管了，之后怎么转发，A 不关心。
如何知道那个设备是路由器？
通过和子网掩码做&运算知道了与目标设备是否处于一个子网内，不在同个子网需要交给路由器转发，但是如何知道路由器的IP地址？
设备需要设置一个IP地址作为默认网关，当需要转发给不同子网的机器时，发给这个 IP 地址。
只知道IP不知道MAC如何发送数据？
网络层同个IP进行数据传输，但是到了数据链路层需要通过MAC进行发送，如何获取目标MAC地址呢？
使用ARP缓存表，记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。
设备A为了获取设备B的MAC地址，会广播一条ARP请求，设备B收到后将自己的MAC地址响应给设备A，设备A将MAC地址缓存起来。
总结
设备
- 设备IP、目标IP
- 通过子网掩码判断彼此是否处于同个子网
- 同个子网，通过ARP缓存表获取对方MAC地址，发送数据
- 不同子网，获取默认网关IP，通ARP找到网关的MAC地址，发送数据，交给网关处理
交换机
- 数据包必须含有目标MAC地址
- 通过MAC地址表查询MAC地址对应的端口
- 存在端口，按照该端口发送
- 不存在映射关系，所有端口都发送
路由器
- 数据包必须含有目标IP地址
- 通过路由表查询映射关系
- 查到则按照该端口发送
- 查不到，返回路由不可达的响应数据包
流程
路由器 1 连接了路由器 2，所以其路由表有了下一跳地址这一个概念
此时设备A向设备F发送数据
- 首先 A（192.168.0.1）通过子网掩码（255.255.255.0）计算出自己与 F（192.168.2.2）并不在同一个子网内，于是决定发送给默认网关（192.168.0.254）。
- A 通过 ARP 找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。
- A 将源 MAC 地址（AAAA）与网关 MAC 地址（ABAB）封装在数据链路层头部，又将源 IP 地址（192.168.0.1）和目的 IP 地址（192.168.2.2）封装在网络层头部，然后发包：
注意：这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址，从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的，只有 MAC 地址在不断变化
交换机 1 收到数据包后，发现目标 MAC 地址是 ABAB，转发给路由器1。
数据包来到了路由器 1，发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2，查看其路由表，发现了下一跳的地址是 192.168.100.5。
所以此时路由器 1 需要做两件事，第一件是再次匹配路由表，发现匹配到了端口为 2，于是将其封装到数据链路层，最后把包从 2号端口发出去。
此时路由器 2 收到了数据包，看到其目的地址是 192.168.2.2，查询其路由表，匹配到端口号为 1，准备从 1 号口把数据包送出去。
但此时路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了，于是查看其 arp 缓存，找到其 MAC 地址为 FFFF，将其封装在数据链路层头部，并从 1 号端口把包发出去。
交换机 3 收到了数据包，发现目的 MAC 地址为 FFFF，查询其 MAC 地址表，发现应该从其 6 号端口出去，于是从 6 号端口把数据包发出去。
设备F 最终收到了数据包！并且发现目的 MAC 地址就是自己，于是收下了这个包。
至此，经过物理层、数据链路层、网络层这前三层的协议，以及根据这些协议设计的各种网络设备（网线、集线器、交换机、路由器），理论上只要拥有对方的 IP 地址，就已经将地球上任意位置的两个节点连通了。