小言_互联网的博客

计算机网络协议(二)——从二层到三层

2020-04-01 15:16 750人阅读  评论(0)

底层网络知识详解：从二层到三层

这个专栏的计算机网络协议，我是在极客时间上学习 已经有三万多人购买的刘超老师的趣谈网络协议专栏，讲的特别好，像看小说一样学习到了平时很枯燥的知识点，计算机网络的书籍太枯燥，感兴趣的同学可以去付费购买，绝对物超所值，本文就是对自己学习专栏的总结,评论区可以留下你的问题，咱们一起讨论！

我在CSDN写博客的目的真的不是为了写而写，写博客的意义一来是方便自己复习，二来是也是想分享知识。我并不会说侵犯 刘超 老师的版权，我也不是照抄，作者的文章内容很精彩，我是记录自己想学的点，当作一个笔记方便自己复习。大家可能看到这篇文 也会去购买专栏学习，或者看到觉得有一点点用就可以啦！

概述

上一篇文章中对通信网络协议做了一个综述，这一篇开始底层网络知识详解：从二层到三层 分为以下五小节去介绍：

  1. 从物理层到MAC层；
  2. 交换机与VLAN；
  3. ICMP和ping；
  4. 网关；
  5. 路由协议；

一、从物理层到MAC层

1.1 第一层(物理层)

电脑连接电脑，除了网线交叉，还需要配置这两台电脑的IP地址、子网掩码和默认网关
IP层封装了MAC层才能放入物理层，两台电脑可以通过网线构成一个局域网，LAN
多台电脑可以通过Hub集线器进行连接。

1.2 第二层(数据链路层)

Hub采取的是广播的模式，无法确定接收者，数据发送混乱没有先后顺序、发送出错怎么办?

MAC层就是要解决这些问题，MAC全称是Medium Access Control(媒体访问控制)，其实就是控制数据在媒体上的发送；

多路访问解决数据发送混乱：

  • 信道划分，例如分为多车道，每个车一个道；
  • 轮流协议，单双号出行；
  • 随机接入协议，错峰出行；

为了解决了媒体接入控制的问题，就要考虑：发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是常用于解决流媒体接入控制问题，所以常被称为MAC地址。

第二层的网络包的格式如下图所示，首先是包含目标MAC地址和源MAC地址，类型是IP数据包，IP里面封装了TCP、UDP，以及HTTP；数据包在链路上广播，MAC网卡通过目标MAC地址接收数据包，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端口；

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。

第二层的后面是CRC,就是循环冗余检测，通过XOR异或的算法，来计算整个包在传输过程中是否发生了错误。

在一个局域网中如果已知IP地址，求MAC地址，可以采用ARP协议；广播一个IP包，谁是这个IP谁来回答，回答的报文如下，机器会在本地进行ARP缓存来避免每次都用ARP协议，随着机器的上下线，缓存也会失效。

交换机是一个二层设备，假设一个数据包要从MAC1发送到MAC2，但是交换机不知道在MAC2电脑的哪个口，这个时候会将包发送给所有的口，找到MAC2电脑的接口之后，通过转发表来记录下对应的MAC地址，保证下次准确转发。

当机器的IP地址、端口发生改变，转发表中的信息也会发生改变。

总结：
第一，MAC地址是用来解决多路访问的堵车问题；
第二，ARP是通过吼的方式来寻找目标MAC地址，吼完以后，记住一段时间，叫作缓存；
第三，交换机是由MAC地址学习能力的，学完了就知道谁在哪儿了，不用广播了

二、交换机与VLAN

上文中讲了交换机，假如公司越来越大，交换机数目肯定越来越多。交换机之间连接起来，就形成复杂的拓扑结构。这么多网线，绕过来绕过去，不可避免地会出现一些意料不到的情况，其中常见的问题就是环路问题，如下图所示：

这就需要采用使用STP协议，解决环路问题：
在数据结构中，有一个方法叫作最小生成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作STP，全称**Spanning Tree Protocol。**有环路的图变成没有环路的树，从而解决环路问题。这里我就不细细描述了，感兴趣的同学可以去学习一下！

2.1 如何解决广播问题和安全问题？

交换机数目多，会面临广播问题和安全问题；一大波机器和交换机，就是想一个公司中相关的部门、不相关的部门，大家都在一个会议室开会吵吵闹闹的，乱的很，这种广播问题就会导致性能下降；

有的部门会议内容需要保密，如果都在一个广播域里面，碰到了一个会抓包的程序员，就能抓到这些包，如果没有加密，就能看到这些敏感信息了。就像是大家都在会议室里七嘴八舌，讨论的问题也能被别人听见喽，就会导致安全问题。所以，那就要分部门、分会议室。

方法一:物理隔离
在网络方面，每个部门都有单独的交换机，配置着单独的子网，这样部门间的沟通就需要路由器；但是部门中的人数不固定，就会导致交换机中的接口空闲较多或者不够用；

方法二：虚拟隔离
常说的VLAN,或者说是虚拟局域网，使用VLAN,一个交换机上就会连着属于多个局域网的机器。交换机会根据二层头上的Tag中的VLAN ID，只有相同VLAN的包，才会互相转发，不同VLAN的包，是看不到的。

对于支持VLAN的交换机，有一种口叫作Trunk口。它可以转发属于任何VLAN的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。

三、ICMP和ping

当网络不通，你连不上另一台机器的时候，一般都会ping一下，ping是基于ICMP协议工作的；

3.1 ICMP协议的格式

ICMP全称Internet Control Message Protocol，就是互联网控制报文协议。

ICMP是封装在IP包中的，在传输指令的时候，需要源地址和目标地址，其格式如下：

ICMP报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为8，主动请求的应答为0。

3.2 ICMP报文类型

查询报文类型

ping就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的ICMP协议；ping发的包符合ICMP协议，只不过在后面增加了自己的格式。

对ping的主动请求，进行网络抓包，称为ICMP ECHO REQUEST,同理主动请求的回复，称为**ICMP ECHO REPLY.**比起原先的ICMP,多了两个字段，一个是标识符，就像侦察兵，一类是侦察战况，一类是查找水源，需要采用标识对其进行区分。另一个是序号，ping会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。

差错报文类型

ICMP差错报文的例子：终点不可达为3，源抑制为4，超时为11，重定向为5

  1. 终点不可达：网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达、需要进行分片但设置了不分片位；
  2. 源站抑制：源站放慢发送速度；
  3. 时间超时：超过网络包的生存时间还没送达；
  4. 路由重新定向：下一次发给另一个路由器；

3.3 ping：查询报文类型的使用

一起来看一下ping的发送和接收过程：

假定主机A的IP地址是192.168.1.1，主机B的IP地址是192.168.1.2，它们都在同一个子网，当你在主机A上运行“ping 192.168.1.2”后，源主机首先会构建一个ICMP请求数据包，数据包中包含类型字段和顺序号；

然后，由ICMP协议将这个数据包连同地址192.168.1.2一起交给IP层，IP层将以192.168.1.2作为目的地址，本机IP地址作为源地址，加上一些其他控制信息，构建一个IP数据包。

接下来，需要加入MAC头，可以通过ARP查询MAC地址，之后传送出去；主机B收到这个数据帧后，先检查它的目的MAC地址，并和本机的MAC地址对比，如符合，则接收，否则就丢弃。接收后检查该数据帧，将IP数据包从帧中提取出来，交给本机的IP层。同样，IP层检查后，将有用的信息提取后交给ICMP协议。

主机B会构建一个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机A。在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达；反之，即不可达。

如果跨网段的话，还会涉及网关的转发、路由器的转发等等。

3.4 Traceroute：差错报文类型的使用

Traceroute的第一个作用:故意设置特殊的TTL,来追踪去往目的地时沿途经过的路由器

Traceroute的参数指向某个目的地的IP地址，它会发送一个UDP数据包，将TTL设置为1，也就是说一旦遇到一个路由器或者一个关卡，表示其牺牲了，如此反复到达目的地址，就获取到了所有路由器的IP;

Traceroute的第二个作用:故意设置不分片，从而确定路径的MTU;

发送分组，并设置“不分片”标志。每次收到ICMP"不能分片"差错时就会减少分组的长度，直到到达目标主机。

总结：

  • ICMP相当于网络世界的侦察兵,分为主动探查的查询报文，一种异常报告的差错报文；
  • ping使用查询报文，Traceroute 使用差错报文；

四、网关

在进行网卡配置的时候，除了IP地址，还需要配置一个Gateway的东西，这个就是网关。

一旦配置了IP地址和网关，往往就能够指定目标地址进行访问了。由于在跨网关访问的时候，牵扯到MAC地址和IP地址的变化，这里有必要详细描述一下MAC头和IP头的细节，如下图示：


MAC头里面，先是目标IP地址，然后是源MAC地址，然后有一个协议类型，说明里面是IP协议，里面的版本号主流还是IPv4,TOS代表着数据包的优先级，8位标识协议，指的是到了下一层的协议，是TCP还是UDP,最重要的是源IP和目标IP；

如果是在同一网段，就没网关啥事，直接将源地址和目标地址放入IP头中，然后通过ARP获得MAC地址，将源MAC和目的MAC放入MAC头中，发出去就可以了。

如果不在同一网段，需要访问校园网里面的BBS,这就需要发送给默认的网关Gateway,Gateway的地址一定是和源IP地址是一个网段的。例如：192.168.1.0/24这个网段，Gateway往往会192.168.1.1/24或者192.168.1.2/24.

网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备；三层设备的含义，就是把MAC头、IP头都取下来，根据里面的内容，看看接下来把包发送到哪的设备。

网关和路由器的关系：这个比喻就是路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网，每只手的IP地址都和局域网有相同的网段，每只手都是它握住的哪个局域网的网关。

静态路由

静态路由，其实就是在路由器上配置一条一条规则。
每当要选择从哪只手抛出去的时候，就一条一条的匹配规则，找到符合的规则，就按规则中设置的那样，从某个口抛出去，找下一跳IPX。

IP头和MAC头哪些变、哪些不变？
将变与不变的问题分为两种类型，一个是“欧洲十国游”和“玄奘西行”

MAC只在一个局域网内有效，只要过网关，必须要改变，因为已经换了局域网，两者主要的区别在于IP地址是否改变。不改变IP地址的网关，称为转发网关；改变IP地址的网关，称为NAT网关；

“欧洲十国游”

每到一个新的局域网，MAC都是要变的，但是IP地址都不变。在ip头里面，不会保存任何网关的IP地址。所谓的下一跳是，某个IP要将这个IP地址转换为MAC放入MAC头；

整个过程中，IP头里面的地址都是不变的。IP地址在三个局域网都可见，在三个局域网之间的网段都不会冲突。在三个网段之间传输包，IP头不改变。这就像在欧洲各国之间旅游，一个签证就能搞定。

“玄奘西行”
局域网之间各定各的网段，导致IP段冲突，如果单从IP地址上看，简直是自己访问自己，其实是大唐的192.168.1.101要访问印度的192.168.1.101；

但其实就像咱们出国一样，不用国内的身份证，改用护照；

首先，目标服务器B在国际上要有一个国际的身份，我们给它一个192.168.56.2。在网关B上，我们记下来，国际身份192.168.56.2对应国内身份192.168.1.101。凡是要访问192.168.56.2，都转成192.168.1.101。于是，源服务器A要访问目标服务器B，要指定的目标地址为192.168.56.2。

当网络包发送到中间的局域网的时候，服务器A也需要有一个国际身份，因此在国际上，源ip地址不能用192.168.1.101，需要改成192.168.56.1；

而中间的路由器用来做NAT(Network Address Translation),用来转换对应的国际与国内的ip地址，并且配置了对应的静态路由规则；

现在大家每家都有家用路由器，家里的网段都是192.168.1.x，所以你肯定访问不了你邻居家的这个私网的IP地址的。所以，当我们家里的包发出去的时候，都被家用路由器NAT成为了运营商的地址了。

很多办公室访问外网的时候，也是被NAT过的，因为不可能办公室里面的IP也是公网可见的，公网地址实在是太贵了，所以一般就是整个办公室共用一个到两个出口IP地址。你可以通过 查看出口ip 查看自己的出口IP地址。

总结

  • 如果离开局域网，就需要经过网关，网关是路由器的一个网口；
  • 路由器是一个三层设备，里面有如何找下一跳的规则；
  • 经过路由器后MAC头要变，如果IP不变，相当于不换护照的欧洲旅游，如果IP变，相当于换护照的玄奘西行。

五、路由协议

路由器就是一台网络设备，它有多张网卡。当一个入口的网络包送到路由器时，它会根据一个本地的转发信息库，来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。

路由器会根据路由表去正确的转发信息，路由表中有多条路由规则，需要根据目的IP地址来配置路由：

  • 目的网络：数据包想去哪？
  • 出口设备：将包从哪个口扔出？
  • 下一跳网关：下一个路由器的地址；

5.1 如何配置策略路由？

真实复杂的网络环境中，除了根据目的ip地址配置路由之外，还可以根据多个参数来配置路由，就是策略路由，可以配置多个路由表，根据源ip地址、入口设备、TOS等选择路由表；

ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20
表示从192.168.1.10/24这个网段来的，使用table 10中的路由表，
而从192.168.2.0/24网段来的，使用table20的路由表

在一条路由规则中，也可以走多条路径，在下面的路由规则中：
ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2

家里的网是私有网段，出去的包需要NAT成公网的IP地址，因而路由器是一个NAT路由器;

例如，运营商1给路由器分配的地址是183.134.189.34/32，而运营商网络里面的网关是183.134.188.1/32。有的是/30的，也就是分了一个特别小的网段。运营商2给路由器分配的地址是60.190.27.190/30，运营商网络里面的网关是60.190.27.189/30。

5.2 动态路由算法

网络环境简单的时候，自己可控，可以采用静态路由，一旦网络结构发生变化，就需要动态路由算法;

使用动态路由器，可以根据路由协议算法生成动态路由表，类似于唐僧西天取经一样，转化为如何在途中找最短路径的问题；

1、距离矢量路由算法

算法：每个路由器都会保存一个路由表，包含多行，每行对应一个路由器，每一行包含两部分信息，一个是要到目标路由器，另一个是到目标路由器的距离；

每个路由器都是知道全局信息的，每个路由器都知道自己和邻居之间的距离；每个路由器都会根据自己新收集的信息，计算和其他路由器之间的距离。

第一个问题就是好消息传的快，坏消息传的慢：坏消息是指，一旦某个路由器挂了不会主动发消息，需要访问全部路径才能知道这个路由器挂了；

第二个问题就是每次发送的时候，要发送整个全局路由表：网络规模大了，这谁顶的住啊；

所以上面的两个问题，限制了距离矢量路由的网络规模；

2、链路状态路由算法

链路状态路由(link state routing) 基于Dijkstra算法；

算法：当一个路由器启动时，首先是发现邻居，向他们say hello,然后计算和邻居之间的距离，发送一个echo,马上返回/2,就是距离；然后将自己和邻居之间的链路状态包广播出去，发送到整个网络的每个路由器，这样每个路由器都能收到它和邻居之间的关系的信息，每个路由器都可以在本地构建完整的图，采用Dijkstra算法找到两点之间的最短路径；

5.3 动态路由协议：

1、基于链路状态路由算法的OSPF

OSPF(Open Shortest Path First,开放式最短路径优先)，广泛应用于数据中心的协议，主要用于数据中心内部，用于路由决策，因而称为内部网关协议(Interior Gateway Protocol，简称IGP)

内部网关协议的重点是找到最短的路径，OSPF可以发现多个最短的路径，在这多个路径中进行负载均衡，常常被称为等价路由。

2、基于距离矢量路由算法的BGP
外网路由协议(Broder Gateway Protocol,简称BGP)

在网络世界中，可以让一个国家成为自治系统AS(Autonomous System),自治系统分为：

  • Stub AS:对外只有一个连接。这类AS不会传输其他AS的包。例如，个人或者小公司的网络
  • Multihomed AS:可能有多个连接到其他的AS,但是大多拒绝帮其他的AS传输包，例如一些大公司的网络；
  • Transit AS:有多个连接到其他的AS,并且可以帮其他的AS传输包，例如：主干网。


BGP又分为两类，eBGP和iBGP。自治系统中，边界路由器之间使用eBGP广播路由，内部网络也需要访问其他的自治系统。边界路由器通过运行iBGP,使得内部的路由器能够找到到达外网目的地最好的边界路由器。

总结

  • 路由分静态路由和动态路由，静态路由可以配置复杂的策略路由，控制转发策略；
  • 动态路由分为两种主流算法：距离矢量算法和链路状态算法，基于两种算法产生两种协议，BGP协议和OSPF协议；

转载：https://blog.csdn.net/ghw15221836342/article/details/100510332
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