Linux知識點(diǎn) – 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) – 數(shù)據(jù)鏈路層

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一、數(shù)據(jù)鏈路層

1.以太網(wǎng)

“以太網(wǎng)”不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，而是一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；既包含了數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容，也包含了一些物理層的內(nèi)容，例如：規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，訪問控制方式，傳輸速率等；
例如以太網(wǎng)中的網(wǎng)線必須使用雙絞線，傳輸速率有10M, 100M, 1000M等；
以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，和以太網(wǎng)并列的還有令牌環(huán)網(wǎng)，無線LAN等；

2.以太網(wǎng)幀格式

數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)識主機(jī)唯一性的方案：MAC地址（網(wǎng)卡地址）

• 源地址和目的地址是指網(wǎng)卡的硬件地址(也叫MAC地址)，長度是48位，是在網(wǎng)卡出廠時固化的；
• 幀協(xié)議類型字段有三種值，分別對應(yīng)IP、ARP、
  RARP；
• 幀末尾是CRC校驗(yàn)碼；

數(shù)據(jù)鏈路層如何解包和封裝？

• 報頭都是固定大小的格式，解包時只需要裁掉固定大小的報頭就可以了，封裝時也一樣；

數(shù)據(jù)鏈路層如何向上交付？

• 按類型字段的劃分，表明向上交付的數(shù)據(jù)類型；

3.重談局域網(wǎng)原理

• 當(dāng)一臺主機(jī)在局域網(wǎng)中發(fā)送消息，局域網(wǎng)中所有的主機(jī)都會收到消息；
• 所有的主機(jī)都會對比目的地址，如果不是自己，就直接丟棄消息，只有目的主機(jī)會保留消息；
• 局域網(wǎng)本質(zhì)是一個臨界資源，多個主機(jī)通信時，任何時刻只能保證只有一個主機(jī)在發(fā)送；
• 發(fā)送的時候發(fā)生了碰撞，就會等一段時間再發(fā)送；

如果局域網(wǎng)中，同時有多臺主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間就發(fā)生了碰撞問題；
避免碰撞的算法：發(fā)送主機(jī)會休息隨機(jī)時間，然后重新發(fā)送；
局域網(wǎng)中還存在交換機(jī)，能夠減少碰撞的發(fā)生：

• 交換機(jī)：劃分碰撞域，如果識別到碰撞，就不向另一端轉(zhuǎn)發(fā)，減少交換機(jī)兩側(cè)碰撞域的壓力
  

4.MAC地址

• MAC地址用來識別數(shù)據(jù)鏈路層中相連的節(jié)點(diǎn)；
• 長度為48位及6個字節(jié)；一般用16進(jìn)制數(shù)字加上冒號的形式來表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)；
• 在網(wǎng)卡出廠時就確定了，不能修改，MAC地址通常是唯一的(虛擬機(jī)中的mac地址不是真實(shí)的mac地址，可能會沖突；也有些網(wǎng)卡支持用戶配置mac地址)；

對比理解MAC地址和IP地址

• IP地址描述的是路途總體的起點(diǎn)和終點(diǎn)；
• MAC地址描述的是路途.上的每一個區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)；

5.MTU

局域網(wǎng)中的主機(jī)越少越好，能夠減少碰撞的發(fā)生；
局域網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送的時候，數(shù)據(jù)幀不能太長，也不能太短，數(shù)據(jù)幀太長容易造成碰撞，太短攜帶的有效數(shù)據(jù)太少；

• 以太網(wǎng)幀中的數(shù)據(jù)長度規(guī)定最小46字節(jié)，最大1500字節(jié)，ARP數(shù)據(jù)包的長度不夠46字節(jié)，要在后面補(bǔ)填充；
• 最大值1500稱為以太網(wǎng)的最大傳輸單元(MTU)，不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的MTU；
• 如果一個數(shù)據(jù)包從以太網(wǎng)路由到撥號鏈路上數(shù)據(jù)包長度大于撥號鏈路的MTU了，則需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片(fragmentation)；
• 不同的數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的MTU是不同的；

MTU對于TCP協(xié)議的影響：

1. TCP的一個數(shù)據(jù)報也不能無限大，還是受制于MTU，TCP的單個數(shù)據(jù)報的最大消息長度，稱為MSS(Max Segment Size)；
2. TCP在建立連接的過程中，通信雙方會進(jìn)行MSS協(xié)商，最理想的情況下, MSS的值正好是在IP不會被分片處理的最大長度(這個長度仍然是受制于數(shù)據(jù)鏈路層的MTU)；
3. 雙方在發(fā)送SYN的時候會在TCP頭部寫入自己能支持的MSS值；
4. 然后雙方得知對方的MSS值之后,選擇較小的作為最終MSS；
5. MSS的值就是在TCP首部的40字節(jié)變長選項(xiàng)中(kind=2)；
   
   MTU = 1500
   IP有效載荷 = 1500 - 20 = TCP + 數(shù)據(jù) = 1480
   數(shù)據(jù) = 1480 - TCP報頭的長度（20） = 1460
   因此MSS不能大于1460字節(jié)；

6.查看硬件地址和MTU的命令

使用ifconfig命令，即可查看ip地址，mac地址和MTU；

7.ARP協(xié)議

同一個網(wǎng)段中，兩臺主機(jī)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，發(fā)送主機(jī)必須知道接收主機(jī)的MAC地址，然而，如果我們只知道目標(biāo)主機(jī)的IP地址，而不知道對方的MAC地址，就需要通過目標(biāo)IP地址，得知對方的MAC地址，這就是ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議），這是一種局域網(wǎng)協(xié)議；

ARP數(shù)據(jù)報格式：

1. 源MAC地址、目的MAC地址在以太網(wǎng)首部（MAC地址）和ARP請求中各出現(xiàn)一次，對于鏈路層為以太網(wǎng)的情況是多余的，但如果鏈路層是其它類型的網(wǎng)絡(luò)則有可能是必要的；
2. 硬件類型指鏈路層網(wǎng)絡(luò)類型，1為以太網(wǎng)；
3. 協(xié)議類型指要轉(zhuǎn)換的地址類型，0x0800為IP地址；
4. 硬件地址長度對于以太網(wǎng)地址為6字節(jié)；
5. 協(xié)議地址長度對于和IP地址為4字節(jié)；
6. op字段為1表示ARP請求，op字段為2表示ARP應(yīng)答；
7. 發(fā)送端IP地址填本主機(jī)的IP地址；目的以太網(wǎng)地址就是目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，如果不知道，一般填FFFF…（表示廣播）；目的IP地址填目標(biāo)主機(jī)的IP地址；

ARP協(xié)議獲取目標(biāo)MAC地址的過程：

• 當(dāng)主機(jī)A在局域網(wǎng)中向獲取主機(jī)D的MAC地址時，主機(jī)A的ARP數(shù)據(jù)報如下圖所示：
  
  主機(jī)A不知道主機(jī)D的MAC地址，在目的以太網(wǎng)地址中填的是全F，這樣會對局域網(wǎng)中所有的主機(jī)進(jìn)行廣播，其他每一臺主機(jī)都要對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，解包并向上交付，MAC幀解包后，每一臺主機(jī)都會拿到該ARP請求，拿到后先看的是op類型，判斷是應(yīng)答還是請求，如果是請求，再看目的IP地址并對比，如果不是自己的IP地址，就丟棄，如果是自己的IP地址，就應(yīng)答；（ARP層丟棄）
• 主機(jī)D對A的廣播進(jìn)行應(yīng)答時，主機(jī)D發(fā)出的ARP數(shù)據(jù)報如下圖所示：
  
  對于主機(jī)D的應(yīng)答，由于其目的MAC地址不是全F，因此其他主機(jī)不會處理該應(yīng)答，在發(fā)現(xiàn)該報文的目的MAC地址是主機(jī)A后，直接將該報文丟棄 （MAC層丟棄）；主機(jī)A收到該應(yīng)答后，首先應(yīng)該確認(rèn)OP類型，再看發(fā)送端的IP地址和MAC地址，就拿到了主機(jī)D的MAC地址；

結(jié)論：

1. 任何主機(jī)可能之前向目標(biāo)主機(jī)發(fā)起過ARP請求，注定了未來會收到對應(yīng)的ARP應(yīng)答；
2. 任何一臺主機(jī)，也可能被別人發(fā)起ARP請求；
   因此，局域網(wǎng)中，任何一臺主機(jī)收到ARP請求的時候，可能是一個應(yīng)答，也可能是一個請求；
3. ARP請求成功之后，請求方會暫時將IP地址和MAC地址的映射關(guān)系暫時保存下來，因此不用每次發(fā)送數(shù)據(jù)都要進(jìn)行ARP協(xié)議；
4. 不光是在目標(biāo)最終子網(wǎng)中才會進(jìn)行ARP，ARP的過程會在網(wǎng)絡(luò)路徑中隨時發(fā)生，只要兩臺主機(jī)處于一個網(wǎng)段中，就有可能發(fā)生ARP；ARP在路由器到路由器之間也可能發(fā)生；
5. arp -a命令可以獲取主機(jī)所處局域網(wǎng)中所有主機(jī)的IP地址和MAC地址：
   
6. ARP欺騙：偽裝成為中間人；
   

二、其他重要協(xié)議或技術(shù)

1.DNS（Domain Name System）

DNS是一整套從域名映射到IP的系統(tǒng)；

• TCP/IP中使用IP地址和端口號來確定網(wǎng)絡(luò)上的一臺主機(jī)的一個程序，但是IP地址不方便記憶；
• 于是人們發(fā)明了一種叫主機(jī)名的東西，是一個字符串, 并且使用hosts文件來描述主機(jī)名和IP地址的關(guān)系
  

最初,通過互連網(wǎng)信息中心(SRI-NIC)來管理這個hosts文件的：

• 如果一個新計(jì)算機(jī)要接入網(wǎng)絡(luò)，或者某個計(jì)算機(jī)UP變更，都需要到信息中心申請變更hosts文件；
• 其他計(jì)算機(jī)也需要定期下載更新新版本的hosts文件才能正確上網(wǎng)；

這樣就太麻煩了，于是產(chǎn)生了DNS系統(tǒng)：

• 一個組織的系統(tǒng)管理機(jī)構(gòu)，維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的每個主機(jī)的IP和主機(jī)名的對應(yīng)關(guān)系；
• 如果新計(jì)算機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，將這個信息注冊到數(shù)據(jù)庫中；
• 用戶輸入域名的時候，會自動查詢DNS服務(wù)器，由DNS服務(wù)器檢索數(shù)據(jù)庫，得到對應(yīng)的IP地址；

域名簡介
主域名是用來識別主機(jī)名稱和主機(jī)所屬的組織機(jī)構(gòu)的一種分層結(jié)構(gòu)的名稱；

域名使用 . 連接：

• com：一級域名，表示這是一個企業(yè)域名，同級的還有"net"(網(wǎng)絡(luò)提供商)， “org”(非盈利組織)等；
• baidu：二級域名，公司名；
• www：只是一 種習(xí)慣用法，之前人們在使用域名時，往往命名成類，似于.xx.xxxww.xx.xxx這樣的格式，來表示主機(jī)支持的協(xié)議；

有時候，我們的QQ，微信和游戲能夠正常運(yùn)行，但是網(wǎng)頁卻打不開，這是因?yàn)闉g覽器內(nèi)置的DNS IP地址對應(yīng)的服務(wù)掛掉了；

2.NAT

2.1.NAT技術(shù)背景

NAT技術(shù)是當(dāng)前解決IP地址不夠用的主要手段，是路由器的一個重要功能；

• NAT能夠?qū)⑺接蠭P對外通信時轉(zhuǎn)為全局IP，也就是就是一 種將私有IP和全局IP相互轉(zhuǎn)化的技術(shù)方法；
• 很多學(xué)校，家庭，公司內(nèi)部采用每個終端設(shè)置私有IP，而在路由器或必要的服務(wù)器上設(shè)置全局IP；
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域網(wǎng)中出現(xiàn)相同的私有IP是完全不影響的；

NAT IP轉(zhuǎn)換過程

• NAT路由器將源地址從10.0.0.10替換成全局的IP 202.244.174.37；
• NAT路由器收到外部的數(shù)據(jù)時，又會把目標(biāo)IP從202.244.174.37替換回10.0.0.10；
• 在NAT路由器內(nèi)部，有一張自動生成的，用于地址轉(zhuǎn)換的表；
• 當(dāng)10.0.0.10第一次向 163.221.120.9發(fā)送數(shù)據(jù)時就會生成表中的映射關(guān)系；

2.2.NAPT

那么問題來了，如果局域網(wǎng)內(nèi)有多個主機(jī)都訪問同一個外網(wǎng)服務(wù)器，那么對于服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)中，目的IP都是相同的，那么NAT路由器如何判定將這個數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給哪個局域網(wǎng)的主機(jī)?
這時候NAPT來解決這個問題了，使用IP+port來建立這個關(guān)聯(lián)關(guān)系；

1. 其實(shí)在進(jìn)行源地址轉(zhuǎn)換的過程中，可能不一定只替換原IP，必要的時候，源端口也要被替換；
2. 路由器在NAT轉(zhuǎn)換的過程中，除了單純的替換，還會為我們根據(jù)報文請求的四元組，為我們構(gòu)建一個映射關(guān)系；
3. 源IP表示唯一的一臺主機(jī)，源端口表示該主機(jī)上唯一的一個進(jìn)程；
   源IP + 源端口表示唯一的一個進(jìn)程，自己在自己的內(nèi)網(wǎng)中的唯一性；
4. 無論從內(nèi)向外，還是從外向內(nèi)，都能在各自的網(wǎng)絡(luò)中表示唯一性，所以，這個映射關(guān)系是互為KEY值的；
5. 這種關(guān)聯(lián)關(guān)系也是由NAT路由器自動維護(hù)的，例如在TCP的情況下，建立連接時。就會生成這個表項(xiàng)；在斷開連接后，就會刪除這個表項(xiàng)；
6. 如果我從來沒有訪問過外網(wǎng)，外網(wǎng)能夠直接訪問內(nèi)網(wǎng)嗎? 理論上不能；
7. 但是有很多基于NAT原理的軟件，能夠幫助我們進(jìn)行從外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)：內(nèi)網(wǎng)穿透；

2.3.代理服務(wù)器

正向代理服務(wù)器：

• 用戶所有的請求都要經(jīng)過代理服務(wù)器，再由代理服務(wù)器發(fā)送給公網(wǎng)接收端服務(wù)器，服務(wù)器端的響應(yīng)也需要經(jīng)過代理發(fā)到客戶端；
• 其中正向代理服務(wù)器會完成身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)緩存、內(nèi)容審核、保證內(nèi)網(wǎng)安全等功能（替用戶做事情）；

反向代理服務(wù)器：

• 在公司的大型機(jī)房中，所有用戶的請求都會經(jīng)過一臺反向代理服務(wù)器，代理服務(wù)器將用戶請求均衡的分配給每一臺服務(wù)端主機(jī)，保證整個集群的負(fù)載均衡；
• 反向代理服務(wù)器不會做任何的業(yè)務(wù)處理，只負(fù)責(zé)將請求推送到后端的指定主機(jī)；

2.4.NAT和代理服務(wù)器

路由器往往都具備NAT設(shè)備的功能，通過NAT設(shè)備進(jìn)行中轉(zhuǎn)，完成子網(wǎng)設(shè)備和其他子網(wǎng)設(shè)備的通信過程；
代理服務(wù)器看起來和NAT設(shè)備有一點(diǎn)像，客戶端像代理服務(wù)器發(fā)送請求，代理服務(wù)器將請求轉(zhuǎn)發(fā)給真正要請求的服務(wù)器；服務(wù)器返回結(jié)果后，代理服務(wù)器又把結(jié)果回傳給客戶端；
那么NAT和代理服務(wù)器的區(qū)別有哪些呢?

• 從應(yīng)用上講，NAT設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備之一 ，解決的是IP不足的問題；代理服務(wù)器則是更貼近具體應(yīng)用，比如通過代理服務(wù)器進(jìn)行f q，另外像迅游這樣的加速器，也是使用代理服務(wù)器；
• 從底層實(shí)現(xiàn)上講，NAT是工作在網(wǎng)絡(luò)層，直接對IP地址進(jìn)行替換；代理服務(wù)器往往工作在應(yīng)用層；
• 從使用范圍上講，NAT一般在局域網(wǎng)的出口部署，代理服務(wù)器可以在局域網(wǎng)做，也可以在廣域網(wǎng)做，也可以跨網(wǎng)；

fq是正向代理；