linux网络之网络层与数据链路层

文章目录

一、网络层

1.IP协议

2.IP协议头格式

3.网段划分

4.特殊ip地址

5.IP地址的数量限制

6.私有ip和公网IP

7.路由

二、数据链路层

1.以太网

2.以太网帧格式

3.MAC地址

4.对比理解MAC地址和IP地址

5.MTU

6.ARP协议

ARP协议的工作流程

ARP数据报的格式

7.DNS

8.ICMP协议

9.NAT技术

NAPT

NAT和代理服务器

---

一、网络层

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径

1.IP协议

主机配有ip地址，但是不进行路由控制的设备；路由器配有ip地址，又能进行路由控制；

节点：路由器和主机的统称

2.IP协议头格式

4位版本	4位首部长度	8位服务类型（TOS)	16位总长度（字节数）
16位标识			3位标志	13位片偏移
8位生存时间(TTL)		8位协议	16位首部检验和
32位源ip地址
32位目的ip地址
选项（如果有）
数据

• 4位版本号：指定的IP协议版本，对于IPV4来说，就是4

• 4位头部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就是lenght*4的字节数，4bit表示最大的数字是15，因此ip头部最大长度是60字节

• 8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用），4位tos字段，和1位保留字段（必须置为0）4位tos分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要

• 16位总长度：ip数据包整体占多少字节

• 16位标识：唯一标识主机发送的报文，如果ip报文在数据链路层被分片了，那么每一片里面的这个id都是相同的

• 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是暂时不用，将来可能会用到），第二位置为1表示禁止分片，这个给时候如果报文长度如果超过MTU，ip模块就会丢弃报文，第三位置表示更多分片，如果分片的话，最后一个分片置为1，其他是0，类似一个结束标记

• 13位分片偏移：是分片相当于原始IP报文开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原报文中处于哪个位置，实际偏移的字节数是这个值*8得到的，因此，除了最后一个报文，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）

• 8位生存时间（Time to live):数据报到达目的地最大的报文跳数，一般是64，每次经过一个路由

• 8位生存时间（TTL）：数据报到达目的地最大的报文跳数，一般是64，每次经过一个路由，ttl-1，一直-=0还没到达，那么就丢弃了，这个字段主要是用来防止出现路由循环。

• 8位协议：表示上层协议的类型

• 16位头部校验和：使用crc校验，来鉴别头部是否损坏。

• 32位源地址和32位目标地址：表示 c和 s

3.网段划分

• ip分为两个部分，网络号和主机号
• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识
• 主机号：同一个网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
• 不同的子网就是把网络号相同的主机放在一起
• 如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他号重复。
• 那么，如果手动管理子网内的IP,很费事。有一种技术为DHCP,能够自动给子网内新增主机节点分配IP地址，避免手动管理IP的不便。一般路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看成一个DHCP服务器。
• 曾经有一种方案将IP地址分为A B C D E五类，A类 0.0.0.0到127.255.255.255  B类 128.0.0.0到191.255.255.255  C类 192.0.0.0到223.255.255.255 D类 224.0.0.0到239.255.255.255 E类 240.0.0.0到247.255.255.255 大多数组织都申请B类，导致A类浪费了很多地址，针对这种情况，提出了CIDR方案
• 引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号
• 子网掩码是一个32位整数，通常用一串0结尾
• 将IP地址和子网掩码进行按位与操作，结果就是网络号
• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关。

4.特殊ip地址

• 将ip地址中的主机地址全部设置为0，就成了网络号，代表这个局域网
• 将ip地址中的主机地址全部设为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
• 127.*的IP地址用于本机环回测试，通常是127.0.0.1

5.IP地址的数量限制

IPV4是一个4字节的32位整数，那么2^32大概是43亿左右，tcp/ip规定每个主机都需要有一个ip地址。但是这样是不够的。实际上，除了一些特殊的IP地址，另外的IP地址并非是按照主机来配置的，而是每个网卡都需要配置一个或者多个IP地址。

CIRD在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，这个时候还有三种方式来解决

• 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址，同一个MAC地址的设备，每次接入互联网得到的IP地址不一定是相同的
• NAT技术（后续详细讲解）
• IPV6用16字节128位来表示一个IP地址

6.私有ip和公网IP

如果一个组织内部组件局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连接到INTERNET上，使用任意的IP地址都可以，但是RFC1918规定了用于组件局域网的私有IP地址

• 10.*，前8位是网络号，共16777216个地址
• 172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1048576个地址
• 192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址
• 包括在这个范围的，都称为私有IP，其余的称为公网IP
• 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是wan口ip,一个是lan口ip(子网）
• 路由器的lan口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中
• 不同的路由器，子网IP其实都是一样的，子网内的主机ip地址不能重复，但是子网之间的ip地址就可以复用了
• 每一个家用的路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能有很多级，最外层的运营商路由器，wan口ip就是一个公网ip
• 子网内的主机和外网通信时，服务器将ip首部的地址进行替换，替换称wan口ip，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址称为一个公网ip，这种技术位NAT技术
• 如果希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上。

7.路由

路由就是在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

就比如唐僧要去西天取经，一路上到一个节点，继续问下一个节点怎么走。路由的过程就是这样一跳一跳的。所谓的“一跳”就是数据链路层的一个区间，具体在以太网中指的源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

IP数据包的传输过程也和问路一样

当ip数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的IP

路由器决定着这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。

以此反复，直到到达目标ip地址。

那么如何判定这个数据包应该发送到哪里--->这个就依靠每个节点内部维护一个路由表

路由表可以使用route命令查看

如果目的ip命中了路由表，就直接转发即可。

路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其他行都不匹配的时候，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

这台主机有两个网络接口，一个连接到192.168.10.0/24这个网络，另一个连接到192.168.56.0/24这个网络

路由表的destination是目的网络地址，GENMASK是子网掩码，gateway是下一跳地址，iface是发送连接口，flags中的u表示此条目有效，g表示此条目的下一跳地址是某个路由器地址，没有g标识的标识目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经过路由器转发。

二、数据链路层

用于两个设备（同一个数据链路节点）之间进行传递。

1.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，也包含了一些物理层的。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通过双绞线，传输速率有10M，100M，1000M等。以太网是当前最广泛的局域网技术，还有令牌环网，无线lan等。

2.以太网帧格式

目的地址

源地址

类型

数据

crc

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，在网卡出厂时固化。

帧协议类型资源有3中：ip,arp,rarp

帧末尾是CRC校验

3.MAC地址

MAC地址是用来识别数据链路层中相连的节点

长度为48位，即6个字节，一般用16进制数字加上冒号的形式标识（例如：08：00：27：03：fb:19)

在网卡出厂时就确定了，不能被修改，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）

4.对比理解MAC地址和IP地址

IP地址是路途总体的起点和终点

MAC地址描述的是路途上每一个区间的起点和终点

5.MTU

MTU相当于发快递对包裹尺寸的限制，这个限制是不同的数据链路层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，要在后面补充
• 最大值1500称为以太网传输的最大传输单元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MTU了，则需要对数据包进行分片
• 不同数据链路层标准的MTU不同

6.ARP协议

ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系

• 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
• 在通信之前，必须先获得目的主机的硬件地址

ARP协议的工作流程

①主机A的IP地址172.20.1.1，它希望与172.20.1.2进行通信

②发送ARP请求包，目标IP地址知道，但是MAC地址不知道

③主机B告诉A它的MAC地址：08：00：20：74：CE：EC

④主机B发送ARP响应包，172.20.1.2的mac地址为08：00：20：74：CE：EC

• 源主机发出arp请求，询问IP地址是172.20.1.2的主机的硬件地址是多少.并将这个请求广播道本地网段（以太帧首部硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）；
• 目的主机接收道广播的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。缓存表中的表象有过期时间，如果这个时间内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发送ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

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，但是如果链路层是其他类型的网络则有可能是必要的。

• 硬件类型是指链路层的网络类型，1为以太网

• 协议类型是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

7.DNS

DNS是一整套从域名映射道IP的系统。tcp/ip中使用ip地址和端口号来确定网络上一台主机的一个程序，但是IP地址不方便记忆，所以人们发明一个称为主机的字符串，并且使用hosts文件来描述主机和ip地址的关系。

用户可以输入 host -a来查看ip地址。最初通过互联网信息中心来管理这个hosts文件的，如果一个新的计算机要接入网络，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Host文件才能正确上网。这样就太麻烦了，产生了dns系统

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
• 至今计算机上仍保留了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 cat /etc/hosts

8.ICMP协议

ICMP是一个网络层协议 一个新搭建好的网络 需要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正是提供这种功能的协议；ICMP主要功能包括：

• 确认IP是否成功到达目标地址
• 通知在发送过程中IP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，因此它仍旧是网络层协议
• ICMP只能搭配IPV4使用，如果是IPV6的情况下，需要用ICMPV6

ICMP主要分为两类报文：一类是通知出错原因 一类用于诊断查询

PING命令：

• 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
• ping命令对先发送一个icmp echo request给对端
• 对端收到之后，会返回一个icmp echo reply

有的面试官会问，telnet是23端口，ssh是22端口，那么ping对应哪个端口？

ping命令是基于ICMP，是网络层，而端口号是传输层的内容，在ICMP中不关注端口号这样的信息

traceroute命令 也是就与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

9.NAT技术

之前讨论了IPV4中，IP地址数量不足的问题，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，公司内部每个终端设置私有IP，而在路由器上或者必要的服务器设置为全局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是不影响的。

• 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发送数据就会生成表中的映射关系

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 NAPT就来解决这个问题了 使用IP+PORT来建立这个关系

这个关系也是NAT路由器自动维护的 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具有很多技术缺陷 无法从NAT外部向NAT内部建立连接 转换表中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 即使存在设备 所有的TCP连接都会断开

NAT和代理服务器

路由器一般都具备NAT设备的功能，通过NAT设备进行中转，完成子网设备和其他设备的通信过程

代理服务器看起来和NAT设备有一点像，客户端向代理服务器发起请求，代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器，服务器返回结果后，代理服务器又把结果回传给客户端

• 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，代理服务器更贴近具体应用，比如通过代理服务器进行，加速器等等
• 从底层上讲，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上，也可以在广域网上，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

代理服务器是一种应用比较广的技术

• ：广域网中的代理
• 负载均衡：局域网中的代理

代理服务器又分为正向代理和反向代理，反向代理一般作为一个缓存，正向代理用于请求的转发。

花王尿不湿是一个很经典的尿不湿品牌, 产自日本. 我自己去日本买尿不湿比较不方便, 但是可以让我在日本工作的表姐去超市买了快递给我. 此时超市看到的买家是我表姐, 我的表姐就是 "正向代理";

后来找我表姐买尿不湿的人太多了, 我表姐觉得天天去超市太麻烦, 干脆去超市买了一大批尿不湿屯在家里, 如果有人 来找她代购, 就直接把屯在家里的货发出去, 而不必再去超市. 此时我表姐就是 "反向代理

---