Linux网络：数据链路层 | 以太网帧 | MAC地址 | MTU | ARP协议 | DNS | ICMP协议 | NAT技术

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“数据链路层” 和 “网络层”

• 网络层：提供数据转发依据。让我们找到目标主机。
• 数据链路层：负责MAC位址 。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。
  • Mac解决相邻主机的通信问题，将数据帧交付给它的下一跳设备，相邻的主机一定属于同一个网段。

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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。
  • Linux之所以能移植到手机，是将内核的以太网协议模组换成无线电相关的。

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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;
• 帧末尾是CRC校验码。校验数据有没有出错。
  • TCP数据段、IP数据包、MAC数据帧；有各自的校验码，层层过滤。某一层出错了，就不许在往上传了。

MAC帧如何解包分用

固定长度的定长报头。2字节的帧协议类型字段。

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认识MAC地址

MAC英语：Media Access Control Address，直译为媒体存取控制位址，也称为局域网地址（LANAddress），MAC位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address）。

• 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。

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。

局域网中存在数据碰撞，每台主机会进行碰撞检测，实行碰撞避免算法。一台主机发送的数据，每台主机都收到了，检测到不是给自己便选择丢弃。对网卡设置，启用混杂模式和抓包工具，可以实现对特定主机的mac帧不丢弃，进行监听。

局域网可以看作是一个临界资源，每台主机的碰撞检测则是主机间的“互斥”功能；同时又碰撞避免算法，实现了主机间的“同步”功能。交换机划分碰撞域，提交网络传输效率。

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认识MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

• 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、UDP、TCP协议的影响

MTU对IP的影响： 由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

• 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（Max Segment 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);
• 使用 ifconfig 命令, 即可查看 ip地址, mac地址, 和 MTU。

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ARP协议

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。ARP协议位于MAC帧的上层，归属于数据链路层。

• 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协议的工作流程

• 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)；
• 局域网中的所有主机都要受理广播。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。

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ARP数据报的格式

• 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 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。

MAC帧到达目的主机所在的网段时，路由器发送ARP广播；每台主机的 MAC帧层收到，检测是什么类型的向上交付，ARP协议检测目标IP地址不是自己的，则丢弃数据帧。是自己的，则发送ARP应答数据帧。

• 最开始刚从源主机出发时，它是怎么知道下一跳的路由器的Mac地址呢？
  • 可知，该主机的IP地址是由接入的、最近的、路由器DHCP分配的；该主机在组网时就有了相关路由器的IP 和MAC信息。
• 那么路由器怎么知道下一个路由器的MAC地址呢？
  • 可以按照上述逻辑重推，而且当路由器发现目的IP地址和自己不属于同一网段，查询路由表转发至下一个路由器。
  • 不同的路由器接入的网络拓扑不一样，会有多条道路通往目的主机。而数据帧在此过程中，是由一个网段奔赴至下一个网段。宏观上来看，符合MAC帧的局域网通信原理。
  • 现象：刚开始下载比较慢，后来趋于稳定。其实路由器开始时在进行路径的选择检测。

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DNS(Domain Name System)简介

DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

TCP/IP中使用 IP地址和 端口号 来确定网络上的一台主机的一个程序。 但是IP地址不方便记忆，于是人们发明了一种叫 主机名 的东西，是一个字符串， 并且使用 hosts文件 来描述 主机名 和 IP地址的关系。

• 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。

这样就太麻烦了, 于是产生了DNS系统。

• 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。
  • 浏览器内部内置了一些域名解析的服务器地址。

至今， 我们的计算机上仍然保留了 hosts文件。在域名解析的过程中仍然会优先查找 hosts文件 的内容。Linux下：cat /etc/hosts；Windows下：C:Windows、System32、drivers、etc。

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域名简介

主域名是用来识别 主机名称和主机所属的组织机构的 一种分层结构的名称。

• 域名使用 . 连接
  • 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。

使用 dig 工具分析 DNS 过程

yum install bind-utils  //安装 dig 工具
dig www.baidu.com

1. 开头位置是 dig 指令的版本号；第二部分是服务器返回的详情， 重要的是 status 参数： NOERROR 表示查询成功。
2. QUESTION SECTION 表示要查询的域名是什么；ANSWER SECTION 表示查询结果是什么。这个结果先将 www.baidu.com 查询成了 www.a.shifen.com， 再将 www.a.shifen.com 查询成了两个 ip 地址。
3. 最下面是一些结果统计, 包含查询时间和 DNS 服务器的地址等。

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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。

ICMP功能

• 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。

ICMP的报文格式

• ICMP大概分为两类报文：一类是通知出错原因；一类是用于诊断查询。

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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。
• ping命令基于ICMP， 是在网络层。 而端口号。 是传输层的内容。在ICMP中根本就不关注端口号这样的信息。

traceroute命令：也是基于ICMP协议实现，能够打印出可执行程序主机，一直到目标主机之前经历多少路由器。

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NAT技术背景

NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能。

• 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。

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NAPT

那么问题来了, 如果局域网内, 有多个主机都访问同一个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的. 那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机? 这时候NAPT来解决这个问题了. 使用 IP+port 来建立这个关联关系。

• 这种关联关系（互为K值）也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下。 建立连接时, 就会生成这个表项; 在断开连接后, 就会删除这个表项。NAT在建立映射条目时，可能替换IP地址，可能能替换端口号。

NAT技术的缺陷：

• 由于NAT依赖这个转换表， 所以有诸多限制：
  • 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；（NAT内网穿透）
  • 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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