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MAC层是用来解决多路访问的堵车问题的，ARP通过在局域网大吼一声的方式来寻找目标MAC地址。交换机有MAC地址学习能力。

1. MAC层

在物理层中，我们引入了Hub，集线器，这种设备可以将多个终端连起来，但是它会把所有自己收到的信息都复制到其他端口当中。

需要在数据链路层解决的问题有：

1. 包的发送方和接收方
2. 多个包发送的时候的先后顺序的问题
3. 发生错误了怎么办

这些问题都是在数据链路层，也即MAC层(Medium Access Control)，要解决的问题.

做媒体访问控制，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。—— 多路访问规则

下面针对三个问题的解决进行详细分析

1.1 包的发送方接收方的确认

1.1.1 知道目标和源MAC地址时

用物理地址，——链路层地址，常被称为MAC地址

1.1.2 只知道目标IP地址时 —— ARP协议

ARP协议，是已知IP地址，求MAC地址的协议。

在一个局域网内，知道IP，想获得对应的MAC，就是在局域网中大吼一声， 看回应，hhhh

具体询问和回答的报文如下所示：

1.2 多路访问原则

1. 信道划分：分成多个车道，各走各的
2. 轮流协议：单双号限行
3. 随机接入协议：错峰

1.3 错误处理 —— 循环冗余检测

看图1，整个数据包的最后四字节叫做CRC，这里是通过XOR算法计算整个包是否在发送的过程中出现了错误

2.交换机

交换机比起集线器，有了记忆功能。通过学习得到对应的MAC地址。

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。但是，这个时候，交换机会干一件非常聪明的事情，就是交换机会记住，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。

当交换机作为一个关卡一样，过了一段时间之后，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。转发表是有过期时间的。

2.1 办公室场景下的交换机使用

可能有上百个网口需要联网，因此需要多个交换机，形成了一个稍微复杂一些的拓扑结构。

先看看两台交换机的情形。两台交换机连接着三个局域网，每个局域网上都有多台机器。如果机器 1 只知道机器 4 的 IP 地址，当它想要访问机器 4，把包发出去的时候，它必须要知道机器 4 的 MAC 地址。

于是机器 1 发起广播，机器 2 收到这个广播，但是这不是找它的，所以没它什么事。交换机 A 一开始是不知道任何拓扑信息的，在它收到这个广播后，采取的策略是，除了广播包来的方向外，它还要转发给其他所有的网口。于是机器 3 也收到广播信息了，但是这和它也没什么关系。

当然，交换机 B 也是能够收到广播信息的，但是这时候它也是不知道任何拓扑信息的，因而也是进行广播的策略，将包转发到局域网三。这个时候，机器 4 和机器 5 都收到了广播信息。机器 4 主动响应说，这是找我的，这是我的 MAC 地址。于是一个 ARP 请求就成功完成了。

在上面的过程中，交换机 A 和交换机 B 都是能够学习到这样的信息：机器 1 是在左边这个网口的。当了解到这些拓扑信息之后，情况就好转起来。当机器 2 要访问机器 1 的时候，机器 2 并不知道机器 1 的 MAC 地址，所以机器 2 会发起一个 ARP 请求。这个广播消息会到达机器 1，也同时会到达交换机 A。这个时候交换机 A 已经知道机器 1 是不可能在右边的网口的，所以这个广播信息就不会广播到局域网二和局域网三。

当机器 3 要访问机器 1 的时候，也需要发起一个广播的 ARP 请求。这个时候交换机 A 和交换机 B 都能够收到这个广播请求。交换机 A 当然知道主机 A 是在左边这个网口的，所以会把广播消息转发到局域网一。同时，交换机 B 收到这个广播消息之后，由于它知道机器 1 是不在右边这个网口的，所以不会将消息广播到局域网三。

2.1.1 环路问题

当整个拓扑结构变复杂了以后，可能容易出现环路问题：

我们来想象一下机器 1 访问机器 2 的过程。一开始，机器 1 并不知道机器 2 的 MAC 地址，所以它需要发起一个 ARP 的广播。广播到达机器 2，机器 2 会把 MAC 地址返回来，看起来没有这两个交换机什么事情。

但是问题来了，这两个交换机还是都能够收到广播包的。交换机 A 一开始是不知道机器 2 在哪个局域网的，所以它会把广播消息放到局域网二，在局域网二广播的时候，交换机 B 右边这个网口也是能够收到广播消息的。交换机 B 会将这个广播息信息发送到局域网一。局域网一的这个广播消息，又会到达交换机 A 左边的这个接口。交换机 A 这个时候还是不知道机器 2 在哪个局域网，于是将广播包又转发到局域网二。左转左转左转，好像是个圈哦。

可能有人会说，当两台交换机都能够逐渐学习到拓扑结构之后，是不是就可以了？

然而当广播包从左边的局域网一广播的时候，两个交换机再次刷新三观，原来机器 1 是在左边的，过一会儿，又发现不对，是在右边的，过一会，又发现不对，是在左边的。

在计算机网络中，用最小生成树算法来解决交换机生成环的问题。简而言之，通过比较交换机之间的能力，给他们分不同等级，划分出一棵树。

2.1.2 如何解决广播问题和安全问题？

1. 物理隔离

每个部门有自己的交换机，配置单独的子网

2. 虚拟隔离

VLAN，虚拟局域网，一个交换机上会连属于多个局域网的机器。解决方案是在原来的二层的头上加一个TAG，里面有一个VLAN ID，一共12位，可以划分出4096个VLAN

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