认识以太网

以太网" 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的内容. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;

例如以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;

以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等;

以太网帧格式

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位,是在网卡出厂时固化的;

帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;分别对应的是0800，0806，8035

帧末尾是CRC校验码

 特殊MAC地址：若目的MAC地址全部设置为1，就是广播，每一个局域网内的主机，都可以收到数据，并且向上解析

认识MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;

长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)

在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

对比理解MAC地址和IP地址

IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点;

MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;

这样当数据在不断的传输过程中，源MAC地址与目的MAC地址都是在不断地变化的，而实际上因为我们NAT技术的存在，原IP地址也是在不断的进行改变的，只有目的IP一直不变

交换机

我们知道，当多个主机在局域网中相互通信的时候，数据可能会有交叉，可能会对其他的通信造成干扰，会产生碰撞，为了减少碰撞，我们采用了交换机的策略，当交换机处于不同主机之间时，交换机会将两边分为两个区域，左区域的通信不会影响到右区域，起到了隔离的作用，这样也大大提高了通信的效率

认识MTU

以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;

最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU

如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);

不同的数据链路层标准的MTU是不同的

MTU对IP协议的影响

将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签;

每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的;

每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0);

到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层;

一旦这些小包中任意一个小包丢失, 接收端的重组就会失败. 但是IP层不会负责重新传输数据;

MTU对UDP协议的影响

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报.

这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了

MTU对于TCP协议的影响

TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(MaxSegment Size);

TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.

最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).

双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值.

然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS.

MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2);

查看硬件地址和MTU

 使用ifconfifig命令, 即可查看ip地址, mac地址, 和MTU;

ARP协议

ARP协议的作用

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址;

数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃;

因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP数据报格式

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。

硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;

协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址;

硬件地址长度对于以太网地址为6字节;

协议地址长度对于和IP地址为4字节;

op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答。

ARP协议工作流程

源主机发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”, 并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播);

目的主机接收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中;

每台主机都维护一个ARP缓存表,可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

DNS技术

DNS技术是一套从域名映射到IP的系统

DNS背景

 最初, 通过互连网信息中心(SRI-NIC)来管理这个hosts文件的

如果一个新计算机要接入网络, 或者某个计算机IP变更, 都需要到信息中心申请变更hosts文件.

其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网.

一个组织的系统管理机构, 维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系.

如果新计算机接入网络, 将这个信息注册到数据库中;

用户输入域名的时候, 会自动查询DNS服务器, 由DNS服务器检索数据库, 得到对应的IP地址

域名简介

www.baidu.com

比如我们大名鼎鼎的百度，我们也可以发现，域名相对于我们的IP而言更符合我们的思维，用我们可以理解的字符串来表示的

com: 一级域名. 表示这是一个企业域名. 同级的还有 "net"(网络提供商), "org"(非盈利组织) 等.

baidu: 二级域名, 公司名.

www: 只是一种习惯用法. 之前人们在使用域名时, 往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式, 来表示主机支持的协议

ICMP协议

ICMP协议是一个 网络层协议

一个新搭建好的网络, 往往需要先进行一个简单的测试, 来验证网络是否畅通; 但是IP协议并不提供可靠传输. 如果丢包了, IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因

所以就有了我们的ICMP协议，当数据在网络层丢包，则会返回一个丢包原因给传输层

ICMP功能

ICMP正是提供这种功能的协议; ICMP主要功能包括:

确认IP包是否成功到达目标地址.

通知在发送过程中IP包被丢弃的原因.

ICMP也是基于IP协议工作的. 但是它并不是传输层的功能, 因此人们仍然把它归结为网络层协议;

ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6;

 ping命令

 

注意, 此处 ping 的是域名, 而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址.

ping命令不光能验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live, 生存周期).

ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端;

对端接收到之后, 会返回一个ICMP Echo Reply;

 traceroute命令

‘

 我们看到这里的ICMP返回的都是*，这是因为防火墙封掉了返回信息

NAT技术

NAT技术背景

NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:

很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;

全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的;

NAT IP转换过程

NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37;

NAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10;

在NAT路由器内部, 有一张自动生成的, 用于地址转换的表;

当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系;

其实这里我们就会有一个疑问了，我们既然将主机的IP地址替换了，那么服务器想要相应，是怎么发送回去的？

其实我们的NAT路由器中会自动的生成一张地址转换表，当我们客户端发送数据时建表，服务器响应时查表，TCP建立连接时生成表，断开连接后则会删除

 NAT技术的缺陷

无法从NAT外部向内部服务器建立连接;

装换表的生成和销毁都需要额外开销;

通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备, 所有的TCP连接也都会断开;

NAT和代理服务器

从应用上讲, NAT设备是网络基础设备之一, 解决的是IP不足的问题. 代理服务器则是更贴近具体应用, 比

如通过代理服务器进行翻墙, 另外像迅游这样的加速器, 也是使用代理服务器.

从底层实现上讲, NAT是工作在网络层, 直接对IP地址进行替换. 代理服务器往往工作在应用层.

从使用范围上讲, NAT一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网

从部署位置上看, NAT一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上.

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代理服务器由分为

• 正向代理：主机要求代理服务器向目的服务器要某种资源。
• 反向代理：主机向代理服务器要某种资源。主机不关心资源时从哪台服务器来的，当代理服务器检测到该资源请求很多，会向目标服务器请求大量该资源，缓存再代理服务器中。