两层网络、三层网络的理解 |
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对于搞IT的同行而言,大部分人都不会直接和网络打交道,因此除非从事网络开发,否则对网络内部机制也不会太关心,但是明白网络数据是怎么走的,这对每个IT工程师应该是很重要的基础知识。网络数据包如何在网络上游荡,长久以来也困扰了我很长时间,现在把这部分内容总结分享一下。 说起网络,大家不约而同会想起大学课本上那个臭名昭著的ISO七层模型,但是ISO模型只是提供了一个参考,并不是具体实现,目前我们使用最多的实现其实是TCP/IP协议族。但是对于TCP/IP,除了表示层和会话层没有体现,其它几层和ISO基本是对应的,从这个角度讲ISO模型还是有参考意义的。 不扯那么多,我们落地一点: 对于物理层而言打交道的基本都是电信号和光信号,例如网卡、光纤、双绞线等都被归到物理层考虑;对于链路层,数据在离散电/光信号的基础之上,被逻辑划分成一帧一帧(Frame)来管理,这一层是数据交换的主要层面,交换的依据主要是网卡MAC地址,以太网(定义了一种帧格式)、交换机、集线器都划归这一层;网络层是比链路层更高一级的逻辑层,在这一层主要工作的是路由器,路由器基于IP地址进行跨网链路的计算;传输层顾名思义是用来控制网络层传输的,因为网络层只是一个“尽力而为”的层,其传输不是完全可靠的,如果将超时重传等可靠性保障机制都交给程序员来做,估计大部分程序员都要疯了,幸好有了传输层提供了TCP和UDP两种机制给我们,才让我们可以高枕无忧的传输数据,而我们在代码里要做的只是打开一个传输层的套接字(即Socket)就可以了;至于表示层和会话层我们就不多做理解了,这两层基本只是摆设;应用层是最高层的协议,Web HTTP协议、远程登录SSH协议等都被划归这一层,确切来说这一层已经不属于基础网络了,基本都是软件自定义协议。![]() 首先看L2链路层,这一层以帧(Frame)为单位组织物理信号,每个帧都需要有一个源地址和目的地址,绝大多数情况下使用的都是网卡MAC地址。这一层主要的数据转发设备是集线器和交换机,对于集线器,由于每一个数据帧都会被复制到各个端口,使每个连接主机收到很多跟自己无关的数据帧,这直接导致主机和集线器之间信道冲突剧烈(冲突域属于物理层概念),因此现在基本不用该设备。而交换机则具有MAC地址学习功能,能够向各个端口准确投放数据帧,这样就大大提高了数据传输效率。对于L2层,交换机只能转发一个子网内的数据帧(子网是通过IP地址划分的),如果要将一个数据帧跨网转发,则需要借助于L3层的路径规划功能,这个一会再说。 注:交换机是根据MAC地址转发数据帧,而路由器则是根据IP地址来转发IP数据报/分组。数据帧是在IP数据包/分组的基础上封装了帧头(源MAC和目的MAC等)和帧尾(CRC校验码)。而对于MAC地址和IP地址大家也许就搞不明白了,为何需要两个地址,实际上IP地址决定最终数据包要到达某一台主机,而MAC地址则是决定下一跳将要交互给哪一台设备(一般是路由器或主机)。而且,IP地址是软件实现的,可以描述主机所在的网络,MAC地址是硬件实现的,每一个网卡在出厂的时候都会将全世界唯一的MAC地址固化在网卡的ROM中,所以MAC地址是不能被修改的,但是IP地址是可以被网络管理人员配置修改的。 现在假设有如下网络拓扑结构,ABCD四台主机属于10.0.0.0子网,网关都指向路由器的10.0.0.1端口,EFGH属于10.0.1.0子网,网关指向路由器的10.0.1.1端口。 先看同一子网内的通信的情况(A向C发送数据,这种情况下都是通过IP地址指定的),假如所有的主机、交换机和路由器都刚刚加电,内部没有缓存任何MAC映射表和路由表。A在发送之前,发现C和A在同一个子网内,于是A试图先在物理子网内找一下C,但是在同一物理子网内是通过硬件MAC地址来寻址的,而A此时并不知道C的MAC地址,于是A通过ARP广播来试图获取,发出的广播包包括如下类似内容:(注:广播时用的MAC地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff)
我们继续往下探索,当路由器2接到寻找主机E的广播包后,发现E位于自己的网络中(当然也提前需要一个广播学习的过程才能知道),便向前一跳路由器(即路由器1)反馈自己离主机E最近,最终经过这样一个 “A→网关路由器→路由器间选路→找到主机E所在子网” 的过程A终于可以与E进行通信了,由于A和E之间经历了多个物理子网,因此需要多次的L2转发才能实现数据包的到达,这个过程中L3层IP包外包帧的MAC地址会不断变换。A→B→A这个过程中,数据帧和IP包的地址经历过程如下(假设A使用的是本机的88端口,B使用的是本机的99端口): 本文旨在向大家展示L2交换机和L3路由器在转发网络数据时的一个主要流程,希望能给大家带来帮助。由于3层跨子网计算IP包投送路径协议比较多,先请大家自己参考其它资料。 参考链接:https://blog.csdn.net/cj2580/article/details/80107037 https://blog.csdn.net/liebao_han/article/details/52859814 |
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