网络设计
集线器
第一层(物理层)-集线器:使用集线器进行多主机通信
A向B发送数据时只需要在头部指定源MAC地址和目标MAC地址就可以了，B 在收到数据包后，根据头部的目标 MAC 地址信息，判断这个数据包的确是发给自己的，于是便收下。虽然集线器使整个布局干净不少，但原来我只要发给电脑 B 的消息，现在却要发给连接到集线器中的所有电脑，这样既不安全，又不节省网络资源。
第二层(数据链路层)-交换机:在集线器的基础上进行改进，让源主机只将数据包只发给目标MAC地址指向的那台电脑，引入交换机。
交换机
交换机内部维护一张 MAC 地址表，记录着每一个 MAC 地址的设备，连接在其哪一个端口上。
| MAC地址 | 端口 |
|---|---|
| bb-bb-bb-bb-bb-bb | 1 |
| cc-cc-cc-cc-cc-cc | 3 |
| aa-aa-aa-aa-aa-aa | 4 |
| dd-dd-dd-dd-dd-dd | 5 |
通过这样传输方式而组成的小范围的网络，叫做以太网。最开始的时候，MAC 地址表是空的，当一个设备通过端口连接到交换机时,交换机会观察该端口收到的第一个数据帧的源MAC地址,并将其记录到MAC地址表中,与该端口关联起来。如果目的MAC地址在地址表中找不到对应的输出端口,交换机会采用泛洪策略,将数据帧转发到除输入端口之外的所有端口。
随着机器数量越多，交换机的端口也不够了，将多个交换机连接起来。
最终，两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录。
左边交换机
| MAC地址 | 端口 |
|---|---|
| bb-bb-bb-bb-bb-bb | 1 |
| cc-cc-cc-cc-cc-cc | 3 |
| aa-aa-aa-aa-aa-aa | 4 |
| dd-dd-dd-dd-dd-dd | 5 |
| ee-ee-ee-ee-ee-ee | 6 |
| ff-ff-ff-ff-ff-ff | 6 |
| gg-gg-gg-gg-gg-gg | 6 |
| hh-hh-hh-hh-hh-hh | 6 |
右边交换机
| MAC地址 | 端口 |
|---|---|
| bb-bb-bb-bb-bb-bb | 1 |
| cc-cc-cc-cc-cc-cc | 1 |
| aa-aa-aa-aa-aa-aa | 1 |
| dd-dd-dd-dd-dd-dd | 1 |
| ee-ee-ee-ee-ee-ee | 2 |
| ff-ff-ff-ff-ff-ff | 3 |
| gg-gg-gg-gg-gg-gg | 4 |
| hh-hh-hh-hh-hh-hh | 6 |
路由器
第三层(网络层)-路由器:接入一个新的设备，这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址，而且同时还能帮我把数据包做一次转发
路由器的每一个端口，都有独立的 MAC 地址
此时有一个问题，如何把发送给 C 和 D，甚至是把发送给 DEFGH…. 的数据包，统统先发送给路由器，这个时候光有mac地址就不够用了，这时候就引入了ip地址。通过软件层面来实现路由转发。
假如 A 给 B 发送数据，由于它们直接连着交换机，所以 A 直接发出如下数据包即可，其实网络层没有体现出作用。
但假如 A 给 C 发送数据，A 就需要先转交给路由器，然后再由路由器转交给 C。
由于最底层的传输仍然需要依赖以太网，所以数据包是分成两段的。
A ~ 路由器这段的包如下：
路由器到 C 这段的包如下：
默认网关，就是 A 在自己电脑里配置的一个 IP 地址，以便在发给不同子网的机器时，发给这个IP地址。
如果是单个路由器，就不存在下一条的概念，直接通过查表获取目的ip地址对应的端口
现在A要给C发数据包，已经可以成功发到路由器这里了，最后一个问题就是，路由器怎么知道，收到的这个数据包，该从自己的哪个端口出去，才能直接（或间接）地最终到达目的地C呢。路由器收到的数据包有目的IP也就是C的IP地址，需要转化成从自己的哪个端口出去，很容易想到，应该有个表，就像 MAC 地址表一样。这个表就叫路由表。 路由表的结构：
| 目的地址 | 下一跳 | 端口 |
|---|---|---|
| 192.168.0.0/24 | 0 | |
| 192.168.0.254/32 | 0 | |
| 192.168.1.0/24 | 1 | |
| 192.168.1.254/32 | 1 |
路由寻址
如果路由器进行串联就涉及到了下一跳这个概念。
具体步骤：
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）
首先在主机的arp缓存中查找默认网关的mac地址，如果找不到则通过ARP找到默认网关192.168.0.254的 MAC 地址。
A 通过 ARP 找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。封装在网络层头部，然后发包
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。
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
总结
当目标IP地址与源IP地址不在同一个网段时，主机不会直接通过ARP解析目标IP地址的MAC地址，而是将目标MAC地址设置为默认网关的MAC地址，并通过默认网关进行跨网段通信
ARP表（Address Resolution Protocol 表）用于将IP地址映射到MAC地址，主要在网络层和链路层之间进行转换
交换机对帧的处理行为一共有三种，转发、泛洪、丢弃，主要在数据链路层上进行工作
路由表用于将IP地址映射到下一跳IP地址或本地接口，主要在网络层上进行工作
交换机的mac地址表包含与交换机端口相关联的所有的设备的mac地址,包括可能通过路由器连接的设备
如果交换机接收到一个数据帧，但是在mac地址表中找不到对应的mac地址则会进行泛洪
网络层（IP协议）的主要职责是寻址和路由选择，确保数据包能够从源设备正确寻址到目的设备。然而，实际的数据包传输功能——包括介质访问、物理传输以及可靠的端到端传输是由数据链路层、物理层和传输层提供的。网络层负责确定数据包的路径，但不直接管理或执行数据包的传输过程。
交换机中有 MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口，是通过学习得到的
路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口,路由表是各种路由算法 + 人工配置逐步完善起来的。
电脑和路由器中都有arp缓存表用于缓存IP和MAC地址的映射关系,arp 缓存表是不断通过 arp 协议的请求逐步完善起来的。
每个数据包在经过路由器时，IP地址保持不变，但MAC地址会根据下一跳的设备进行更新，主机之间的直接通信依赖于路由器的转发功能，而路由器依靠ARP协议解析网络中的MAC地址以实现准确的转发。
当数据包来到第一个路由器时，会经历查找路由表、确定出接口、更改MAC地址、转发数据包，直到数据包到达下一跳路由器，如果下一跳ip地址和目的ip地址在同一局域网内，则直接通过arp协议查找目的主机的mac地址，如果下一跳ip地址和目的ip地址不在一个局域网内，则通过查表找到下一跳出口，然后通过arp协议获取出口mac地址，然后到下一个路由器。