从物理层到MAC层：如何在宿舍里自己组网玩联机游戏？

上一节，我们见证了 IP 地址的诞生，或者说是整个操作系统的诞生。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。作为一个八零后，我要暴露年龄了。

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。

现在一台家用路由器非常便宜，一百多块的事情。那时候路由器绝对是奢侈品。一直到大四，我们宿舍都没有买路由器。可能是因为那时候技术没有现在这么发达，导致我对网络技术的认知是逐渐深入的，而且每一层都是实实在在接触到的。

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。

物理层能折腾啥？现在的同学可能想不到，我们当时去学校配电脑的地方买网线，卖网线的师傅都会问，你的网线是要电脑连电脑啊，还是电脑连网口啊？

我们要的是电脑连电脑。这种方式就是一根网线， 有两个头。一头插在一台电脑的网卡上，另一头插在另一台电脑的网卡上。 但是在当时，普通的网线这样是通不了的，所以水晶头要做交叉线，用的就是所谓的 1－3、2－6 交叉接法。

水晶头的第 1、2 和第 3、6 脚，它们分别起着收、发信号的作用。将一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

当然电脑连电脑， 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 。这三个概念上一节详细描述过了。 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。

第二层（数据链路层）

你可能已经发现问题了。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。这就需要解决几个问题：

1. 这个包是发给谁的？谁应该接收？
2. 大家都在发，会不会产生混乱？
3. 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。

比如接下来这三种方式：

• 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，用的就是这个方式。

解决了第二个问题，就是解决了媒体接入控制的问题，MAC 的问题也就解决好了。这和 MAC 地址没什么关系。

接下来要解决第一个问题： 发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址 ，叫作链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常被称为MAC 地址。

解决第一个问题就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，然后 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等 ，这都是里层封装的事情。

有了这个目标 MAC 地址，数据包在链路上广播，MAC 的网卡才能发现，这个包是给它的。 MAC 的网卡把包收进来，然后打开 IP 包，发现 IP 地址也是自己的，再打开 TCP 包，发现端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是监听 80。

于是将请求提交给 nginx，nginx 返回一个网页。 然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装，最后到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址，返回的时候，源 MAC 就变成了目标 MAC，再返给请求的机器。

这里还有一个没有解决的问题，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：

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