三层网络协议有哪些

第一层（物理层）

1，网线互联

过去的大学宿舍，路由器是奢侈品，宿舍电脑间的联网经常要和网线打交道。比如，当初买网线时，老板都会问这网线是电脑连电脑还是电脑连网口？如果是电脑连电脑，水晶头需要做交叉线，即，1-3、2-6交叉接法。因为，水晶头的第1，2和第3，6脚分别起收信号和发信号的作用，将一端的1号和3号、2号和6号线互换位置，才能在物理层实现2台电脑通过一根网线连接的收发信号。除此之外，还需要配置2台电脑的IP地址，子网掩码 和默认网关，就可以实现联网啦，这也是一个最小的局域网（LAN）。

2，集线器（Hub）

过去的大学宿舍，交换机也是奢侈品，宿舍如果有3台电脑需要互联时需要和集线器打交道。集线器完全在物理层工作，与交换器可以实现部分记忆不同，集线器会将自己收到的每一个字节都复制到其他端口，即所有消息均采用广播的方式，实现多台机器间的互联。

二，第二层（数据链路层）

虽然集线器是广播的方式，但如果电脑网卡真的把所有网络包都收进来，就没法玩了。因此，需要在此基础上解决3个问题，它们自然也就是数据链路层（MAC层）需要解决的问题。

1，网络包发给谁，谁应该接收？

MAC地址，对于以太网，从第二层协议的最开始 ，就是目标MAC地址和源MAC地址；有了目标地址，网卡可以解开MAC头检查目标地址是否和自己匹配，如果不匹配则选择丢弃，否则接收。

如果二层组包前不知道目的IP对应的MAC地址，可以使用ARP协议发送广播消息，询问已知IP地址下的MAC地址。当然，为了避免每次都ARP广播，机器本地会ARP缓存，同时存在过期时间防止IP变动。2，所有网络包有没有谁先发，谁后发的规则？

多路访问规则，主要有3种方式：（1），信号划分；（2），轮流协议；（3），随机接入协议，被以太网采用。

3，发送出现错误时，怎么办？

MAC协议最后一个字段，循环冗余检测（CRC），通过异或的算法，计算整个包是否在发送过程中出现错误。错误的包被丢弃，完成第二层的使命，但可以由更高层来实现重传机制。

三，局域网（二层）

通过集线器（Hub）的方式，让一个宿舍的电脑联网打War3是没问题的。但集线器一个网口的信息会被广播到所有网卡，再由其他主机判断是否接收，随着主机数目增多，效率就不行了。因此，如何能避免广播，针对性的从一个网口发到另一个网口呢？

这样的设备，必须要有一定的处理能力，可以将路过网络包的MAC头取下来，检查目标MAC地址，再根据策略进行转发，因此它显然是一个二层设备，我们称之为“交换机”。

虽然在一开始，交换机也不知道网口对应的MAC地址，最初的网络包也会广播，但每广播一次，它就记住了源MAC地址来自一个明确的网口，比如，网口1发出了源地址为MAC1的网络包，以后如果有目的地址是MAC1的网络包，交换机就能直接向网口1转发。直至最后，交换机拥有了整个网络结构可以精准转发，称为转发表，转发表有过期时间。

四，交换机与VLAN（二层）

1，交换机环路与破除

在办公室网络中，一个交换机肯定不够，需要多个交换机连接起来成一个复杂的拓扑结构。此时，不可避免的会遇到环路问题，在环路问题下，交换机根本学不会网络的拓扑结构，因为某个源MAC地址的网络包，一会从网口1发出，一会从网口2发出，所以一个包就会在拥有环路的网络中转圈圈，产生广播风暴。

在数据结构中，有一个最小生成树的概念，即在一个连通加权无向图中，可能有多棵生成树，最小生成树就是其中最小权重的生成树。在计算机网络领域，根据优先级将将环路网络打破的协议也叫“生成树协议（STP：Spanning Tree Protocol）”。

个人感觉STP协议有点像复杂版的并查集构建，在并查集的基础上增加了根节点根据各自优先级PK合并的逻辑。

当然STP协议也存在一个问题，即当拓扑结构发生变化时，整棵树需要被重建，如果网络规模大，耗时会比较长，同时，链路环被断开后不再承载任何流量，造成带宽浪费。

2，虚拟局域网VLAN

当交换机越来越多，难免还会存在广播的问题，如果所有机器都在一个广播域里，效率也会降低。因此，需要对多个交换机划分不同的子网。

（1），物理隔离：每个子网都由单独的交换机统管，不同子网间的通信就需要加入三层路由器了，三层后文再说。

（2），虚拟隔离：一个单独的交换机会连属于不同的子网，一个交换机下的主机处在不同的子网内，那交换机如何区分主机与子网的对应呢？答案就是在二层MAC头上加入一个新的TAG字段，里面包含一个12位的VLAN ID，可以划分4096个虚拟子网，如果不够的话，放到云计算领域的后文再说。

如果交换机支持VLAN，就可以为交换机的每一个网口都设置一个指定的VLAN，那么只有VLAN ID相同的网络包才会相互转发。而对于交换机之间互联的网口，它比较特殊，俗称Trunk口，它可以转发所有VLAN的网络包，交换机之间通过Trunk口通信，这样就把广播问题和安全问题都解决了。