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一. 以太网
1.1 认识以太网
1.2 网卡与以太网
1.3 以太网帧格式
二. 认识MAC地址
三. MAC地址 与 IP地址 的区别
4.1 定义
4.2 分配方式
4.3 工作层次
4.4 地址格式
4.5 寻址方式
四. ARP协议
4.1 引入
4.2 ARP的概念
4.3 ARP工作原理
五. MTU 与 MSS …目录
一. 以太网
1.1 认识以太网
1.2 网卡与以太网
1.3 以太网帧格式
二. 认识MAC地址
三. MAC地址 与 IP地址 的区别
4.1 定义
4.2 分配方式
4.3 工作层次
4.4 地址格式
4.5 寻址方式
四. ARP协议
4.1 引入
4.2 ARP的概念
4.3 ARP工作原理
五. MTU 与 MSS 5.1 MTU
5.2 MSS 5.3 TCP分段与IP分片
5.4 避免分片 一. 以太网
1.1 认识以太网 以太网Ethernet不是一种具体的网络而是一种广泛使用的局域网LAN技术它规定了物理层和数据链路层的通信协议。以太网可以使用多种传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤就像是家里的电线系统只不过它是用来连接电脑和其他设备的。 路由器通过以太网线连接到调制解调器俗称“猫”“光猫”--“光纤调制解调器”然后通过这个调制解调器连接到互联网这样就能上网了。
举个例子 如果你家里有很多电器比如灯泡、电视和冰箱它们都需要用电来工作。电线就是连接这些电器和电源的一个通道让电能够从电源传到每个电器。以太网也是这样它是一种通道让电脑和其他设备能够互相“说话”和交换信息。
1.2 网卡与以太网 网卡Network Interface Card简称NIC是一种硬件设备用于将计算机连接到计算机网络使计算机能够通过该网络与其他计算机进行通信。网卡通常插在计算机的主板扩展槽中或者通过USB接口连接现在很多计算机的网卡都是直接集成在主板上。 网卡与以太网的关系可以这样理解以太网是一种常见的局域网技术而网卡就是用来实现电脑与以太网连接的“桥梁”。简单来说如果你想用电脑上网就需要通过网卡连接到以太网这样才能上网。就好比你想打电话给朋友需要先拿起电话网卡然后通过电话线以太网连接到对方。 网卡是实现以太网通信的关键组件之一提供了计算机与以太网传输介质如双绞线、光纤等之间的物理接口使得计算机能够按照以太网的标准进行网络通信。没有网卡计算机就无法直接连接到以太网网络。
1.3 以太网帧格式 二. 认识MAC地址 MAC地址全称媒体访问控制地址Media Access Control Address是一个唯一的标识符用来定义网络设备的位置。每个网络设备比如网卡、路由器、交换机等在出厂时都会被分配一个唯一的MAC地址。 在局域网比如家里的网络中设备之间通过MAC地址来直接通信。 MAC地址通常由六组两位的十六进制数字组成这些数字通过冒号或者短横线分隔。例如00:1A:2B:3C:4D:5E 或者 00-1A-2B-3C-4D-5E。 MAC地址在网卡出厂时就确定了不能修改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
三. MAC地址 与 IP地址 的区别
4.1 定义
MAC地址是一个唯一的硬件地址它被烧录在网络接口卡NIC上用于在局域网LAN中标识硬件设备。IP地址是一个逻辑地址用于在网络中标识设备的网络位置可以是局域网、广域网或互联网。
4.2 分配方式
MAC地址通常是固定的由网络接口卡的制造商分配并在生产过程中烧录到硬件中。IP地址可以是静态分配的也可以是动态分配的通过DHCP服务器。IP地址可以根据网络配置的变化而改变。
4.3 工作层次
MAC地址工作在数据链路层OSI模型的第二层负责在同一网络段内相邻设备之间传输数据帧。微观IP地址工作在网络层OSI模型的第三层负责在不同的网络之间路由数据包进行路由规划。宏观
4.4 地址格式
MAC地址通常6个字节表示MAC地址当前仍然可以给每个设备都分配一个唯一的地址值。IP地址对于IPv4使用4个字节表示对于IPv6使用16个字节表示
4.5 寻址方式
MAC地址用于直接在局域网内寻找设备通常是通过ARP将IP地址解析为MAC地址。以太网数据帧里面的MAC地址随着转发的过程源MAC和目标MAC都会时刻发生改变每经过一个交换机/路由器都会发生变化MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点IP地址用于在网络层寻址和路由数据包进行路由规划确保数据能够从源地址传输到目的地址。 IP地址描述的是路途总体的起点和终点 四. ARP协议
4.1 引入 ARP协议就像是一个电话簿帮助电脑在网络中找到其他电脑的家门号码。想象一下你在一家大公司里想要找到同事张三的家但是你只知道他的名字IP地址不知道他家的具体地址MAC地址。这时候你会在公司的大厅局域网里大声喊“张三你在哪告诉我你家地址”发送ARP请求。张三听到后会告诉你他家的地址发送ARP回复。这样下次你想找张三的时候就可以直接按地址去找他了而不需要再大声喊叫。 简单来说ARP协议就是电脑之间相互询问和告知彼此物理地址MAC地址的一种方式这样它们就能在网络中正确地发送信息了。
4.2 ARP的概念 ARPAddress Resolution Protocol协议工作在OSl模型的第二层即数据链路层。它的主要功能是将网络层第三层使用的IP地址解析为数据链路层第二层使用的MAC地址。 在发送数据包时网络层的IP协议负责确定数据包的目标IP地址但是数据链路层的以太网协议需要知道目标的MAC地址才能在局域网内传输数据包。ARP协议就在这个转换过程中起到桥梁作用它通过查询局域网内的设备来获取目标IP地址对应的MAC地址从而确保数据包能够被正确地发送到目的地。 4.3 ARP工作原理
1. 解析请求当一个设备需要向局域网内的另一个设备发送数据时它会首先检查自己的ARP缓存一个内存表用于存储IP地址与MAC地址的映射关系 如果目标IP地址的MAC地址不在缓存中源设备将发送一个ARP请求广播到局域网上的所有设备。 ARP请求包含以下信息a. 发送设备的IP地址和MAC地址 b. 目标设备的IP地址 c. 一个标志字段表示这是一个ARP请求
2. 解析响应局域网上的所有设备都会收到这个ARP请求但只有目标IP地址对应的设备会响应响应设备会发送一个ARP回复其中包含其MAC地址。
3. 更新ARP缓存源设备收到ARP回复后会将目标IP地址和对应的MAC地址存储在自己的ARP缓存中以便将来使用。 4. 数据传输现在源设备知道了目标设备的MAC地址它就可以将数据帧发送到局域网上的正确设备。 ARP的正常工作流程 设备A想要与设备B通信但只知道设备B的IP地址不知道MAC地址。设备A会在局域网内广播一个ARP请求“谁是IP地址X的拥有者请告诉我你的MAC地址。”设备B收到这个请求后会回复一个ARP响应告诉设备A自己的MAC地址。设备A收到设备B的MAC地址后就可以开始通信了。 ARP欺骗攻击行为 攻击者发送伪造的ARP响应给局域网中的设备告诉它们“我是IP地址Y的拥有者我的MAC地址是Z。” 这样其他设备就会错误地将原本发送给IP地址Y的数据发送给攻击者的MAC地址。攻击者可以拦截、修改或丢弃这些数据。 ARP协议可以让当前设备获取到周围设备上的IP地址和MAC地址之间的映射关系。
IP协议路由转发的过程是拿着 “IP地址” 进行路由查表得到的是 “网络接口”抽象的概念ARP协议就是将“网络接口”转换成更具体的MAC地址知道是具体的某个设备IP地址 -- MAC地址 网络接口 1. 定义 网络接口指的是网络设备的物理或逻辑端口用于设备与网络之间的连接。例如计算机上的以太网端口、无线网卡或者虚拟网络接口。 2. 与IP地址的关系 网络接口使用IP地址来发送和接收数据包。当一个设备想要与另一个设备通信时它会将数据包发送到目标设备的IP地址。每个网络接口都需要至少一个IP地址来在网络上进行通信。一个网络接口可以配置一个或多个IP地址这取决于网络配置和需求。在配置网络接口时IP地址会被绑定到该接口上这样当数据包发送到该IP地址时网络设备就知道应该通过哪个接口来处理这些数据。网络接口负责将IP地址转换为MAC地址通过ARP协议以便在数据链路层上进行实际的帧传输。 通过ARP协议就可以得到网络接口与MAC地址的映射关系表 五. MTU 与 MSS 5.1 MTU MTUMaximum Transmission Unit是指网络中一个数据包的最大传输单元也就是一个数据包能够携带的最大数据量。
MTU的作用 MTU的大小决定了网络设备在发送数据时是否需要将数据分割成多个较小的数据包。如果数据包超过了MTU的大小它就需要被分割这个过程称为分片fragmentation。分片会增加网络的开销降低传输效率还可能因为分片导致数据包丢失。
以太网 MTU以太网MTU通常指的是在以太网局域网技术中一个网络帧可以携带的最大数据量以太网帧的负载就是以太网MTU。对于标准的以太网这个值通常是1500字节。 IP MTUIP MTU指的是在IP层IP数据包的大小就是 IP MTU。这通常比以太网MTU要小因为它需要为IP头部预留空间可以说以太网MTU相当于IPMTU的一个容器但IP MTU和以太网MTU通常会是一样的大小。 5.2 MSS MSSMaximum Segment Size是指在一个TCP分段segment中除去TCP头部的数据部分的最大大小。 MSS是在TCP连接建立时两端协商的一个值它决定了在TCP层每个数据包可以携带的有效数据量。 MSS的作用 MSS是为了确保TCP数据包在加上TCP头部后整体大小不会超过网络的MTU从而避免IP层对数据包进行分片。通常MSS的值会设置为MTU - IP头部 - TCP头部。通过适当设置MSS可以优化网络性能减少数据包分片的几率提高网络的传输效率。
举个例子
假设以太网的MTU是1500字节。IP头部通常是20字节TCP头部通常是20字节。那么MSS可以是1500-20IP头部20TCP头部1460字节。 5.3 TCP分段与IP分片 如果发送了应用层发送了一个超大的数据TCP就会进行分段TCP Segmentation分成多个TCP段发送在分段的时候会考虑到网络层和数据链路层各自的职责。换句话说TCP分段就是为了后面的IP不用再分片因此TCP需要确保MSS的值不会过大。 所以在TCP三次握手阶段客户端会和服务器进行协商在协商MSS之前两边都会比较自己的MSS缓冲区大小以及MTU大小。如果客户端通知的MSS是1460服务端通知的是1440则会选择较小值1440这样可以最大程度地避免数据包在中途被分片。 但是数据包依旧可能会遇到链路上的设备接口低于MTU低于1500的路由此时可能会进行IP分片IP Segmentation。 假如你在上网的时候数据包经过了一个只支持MTU为576字节的接口这个时候数据包会被迫分为三份具体分数看数据包大小并且在每个数据包加上IP首部。如果原本只有20字节的IPv4首部那么对于三层来说就额外多了40字节2020。 也许你会觉得40字节也不会挤压多少带宽但如果这三个数据包丢了其中一个呢此时会进行“重传”但负责重传的是TCP或者4层以上进行而不是网络层的IP进行重传。IP协议本来就是不可靠传输因此其中一个IP分片丢失了需要重传所有分片也就是重传那一段TCP数据传输的效率大幅度降低而且有时候分片更容易导致丢包。 在IPv4协议的首部有三个区域在分片时候起到重要作用。
标识标记分片方便重组这些分片。片偏移在重组时需要根据片偏移进行排序。标志在分片的时候其中的MF标志位会用到MF是more fragment的缩写。当MF标志位为1时表示后面还有分片。 这里的问题是如果路由设备收到中间的一个分片可以用MF标志位判断出后面是否还有分片但不知道后面还有多少分片。而路由设备的缓冲区是有限的分片太多很可能会因为缓冲区的限制导致部分分片被丢弃。 5.4 避免分片 处于三层的路由设备职责就是更快更高效的传输数据包分片会增加路由设备的算力和内存的负担。为了避免分片很多路由设备会有一种叫MSS Climbing的功能。路由设备在看到TCP的SYN或者SYN/ACK包的时候会把里面MSS的值和链路MTU进行对比。如果MSS值大于MTU值很明显就会导致分片。因此就会降低MSS的值以适应链路MTU。 但是链路上的MTU如何被确定呢就可以用到 PMTUDPath MTU Discovery路径最大传输单元发现这项技术了。 IPv4首部标志位里有个DF标志位DF就是Dont Fragment的意思。 如果设置了DF标志位链路上的设备碰到超过MTU的数据包不会进行分片处理而是直接丢掉这个包并且返回消息告诉发送方需要进行分片这样发送方就需要降低MTU然后再次发送直到发现MTU的最小值。 但是在IPv6就不一样了IPv6只允许发送源对数据包进行切分不允许链路上的设备进行分片。 因此IPv6不需要另外设置。如果数据包太大链路上的设备直接丢包并且返回消息告诉对方太大这样也是可以发现MTU最小值的。
