坂田做网站的公司,wordpress干嘛用的,网址关键词查询网站,网页源代码图片提取你是一台电脑#xff0c;你的名字叫 A
很久很久之前#xff0c;你不与任何其他电脑相连接#xff0c;孤苦伶仃。 直到有一天#xff0c;你希望与另一台电脑 B 建立通信#xff0c;于是你们各开了一个网口#xff0c;用一根网线连接了起来。 用一根网线连接起来怎么就能你的名字叫 A
很久很久之前你不与任何其他电脑相连接孤苦伶仃。 直到有一天你希望与另一台电脑 B 建立通信于是你们各开了一个网口用一根网线连接了起来。 用一根网线连接起来怎么就能通信了呢我可以给你讲 IO、讲中断、讲缓冲区但这不是研究网络时该关心的问题。
如果你纠结要么去研究一下操作系统是如何处理网络 IO 的要么去研究一下包是如何被网卡转换成电信号发送出去的要么就仅仅把它当做电脑里有个小人在开枪吧 反正你们就是连起来了并且可以通信。 第一层
有一天一个新伙伴 C 加入了但聪明的你们很快发现可以每个人开两个网口用一共三根网线彼此相连。 随着越来越多的人加入你发现身上开的网口实在太多了而且网线密密麻麻混乱不堪。而实际上一台电脑根本开不了这么多网口所以这种连线只在理论上可行所以连不上的我就用红色虚线表示了就是这么严谨哈哈~ 于是你们发明了一个中间设备你们将网线都插到这个设备上由这个设备做转发就可以彼此之间通信了本质上和原来一样只不过网口的数量和网线的数量减少了不再那么混乱。 你给它取名叫集线器它仅仅是无脑将电信号转发到所有出口广播不做任何处理你觉得它是没有智商的因此把人家定性在了物理层。 由于转发到了所有出口那 BCDE 四台机器怎么知道数据包是不是发给自己的呢
首先你要给所有的连接到交换机的设备都起个名字。原来你们叫 ABCD但现在需要一个更专业的全局唯一的名字作为标识你把这个更高端的名字称为 MAC 地址。
你的 MAC 地址是 aa-aa-aa-aa-aa-aa你的伙伴 b 的 MAC 地址是 bb-bb-bb-bb-bb-bb以此类推不重复就好。
这样A 在发送数据包给 B 时只要在头部拼接一个这样结构的数据就可以了。 B 在收到数据包后根据头部的目标 MAC 地址信息判断这个数据包的确是发给自己的于是便收下。
其他的 CDE 收到数据包后根据头部的目标 MAC 地址信息判断这个数据包并不是发给自己的于是便丢弃。 虽然集线器使整个布局干净不少但原来我只要发给电脑 B 的消息现在却要发给连接到集线器中的所有电脑这样既不安全又不节省网络资源。 第二层
如果把这个集线器弄得更智能一些只发给目标 MAC 地址指向的那台电脑就好了。 虽然只比集线器多了这一点点区别但看起来似乎有智能了你把这东西叫做交换机。也正因为这一点点智能你把它放在了另一个层级数据链路层。 如上图所示你是这样设计的。
交换机内部维护一张 MAC 地址表记录着每一个 MAC 地址的设备连接在其哪一个端口上。 MAC 地址 端口 bb-bb-bb-bb-bb-bb 1 cc-cc-cc-cc-cc-cc 3 aa-aa-aa-aa-aa-aa 4 dd-dd-dd-dd-dd-dd 5
假如你仍然要发给 B 一个数据包构造了如下的数据结构从网口出去。 到达交换机时交换机内部通过自己维护的 MAC 地址表发现目标机器 B 的 MAC 地址 bb-bb-bb-bb-bb-bb 映射到了端口 1 上于是把数据从 1 号端口发给了 B完事~
你给这个通过这样传输方式而组成的小范围的网络叫做以太网。 当然最开始的时候MAC 地址表是空的是怎么逐步建立起来的呢
假如在 MAC 地址表为空是你给 B 发送了如下数据 由于这个包从端口 4 进入的交换机所以此时交换机就可以在 MAC地址表记录第一条数据
MACaa-aa-aa-aa-aa-aa-aa端口4
交换机看目标 MAC 地址bb-bb-bb-bb-bb-bb在地址表中并没有映射关系于是将此包发给了所有端口也即发给了所有机器。
之后只有机器 B 收到了确实是发给自己的包于是做出了响应响应数据从端口 1 进入交换机于是交换机此时在地址表中更新了第二条数据
MACbb-bb-bb-bb-bb-bb端口1
过程如下 经过该网络中的机器不断地通信交换机最终将 MAC 地址表建立完毕~
随着机器数量越多交换机的端口也不够了但聪明的你发现只要将多个交换机连接起来这个问题就轻而易举搞定~ 你完全不需要设计额外的东西只需要按照之前的设计和规矩来按照上述的接线方式即可完成所有电脑的互联所以交换机设计的这种规则真的很巧妙。你想想看为什么比如 A 要发数据给 F。
但是你要注意上面那根红色的线最终在 MAC 地址表中可不是一条记录呀而是要把 EFGH 这四台机器与该端口端口6的映射全部记录在表中。
最终两个交换机将分别记录 A ~ H 所有机器的映射记录。
左边的交换机 MAC 地址 端口 bb-bb-bb-bb-bb-bb 1 cc-cc-cc-cc-cc-cc 3 aa-aa-aa-aa-aa-aa 4 dd-dd-dd-dd-dd-dd 5 ee-ee-ee-ee-ee-ee 6 ff-ff-ff-ff-ff-ff 6 gg-gg-gg-gg-gg-gg 6 hh-hh-hh-hh-hh-hh 6
右边的交换机 MAC 地址 端口 bb-bb-bb-bb-bb-bb 1 cc-cc-cc-cc-cc-cc 1 aa-aa-aa-aa-aa-aa 1 dd-dd-dd-dd-dd-dd 1 ee-ee-ee-ee-ee-ee 2 ff-ff-ff-ff-ff-ff 3 gg-gg-gg-gg-gg-gg 4 hh-hh-hh-hh-hh-hh 6
这在只有 8 台电脑的时候还好甚至在只有几百台电脑的时候都还好所以这种交换机的设计方式已经足足支撑一阵子了。
但很遗憾人是贪婪的动物很快电脑的数量就发展到几千、几万、几十万。 第三层 交换机已经无法记录如此庞大的映射关系了。
此时你动了歪脑筋你发现了问题的根本在于连出去的那根红色的网线后面不知道有多少个设备不断地连接进来从而使得地址表越来越大。
那我可不可以让那根红色的网线接入一个新的设备这个设备就跟电脑一样有自己独立的 MAC 地址而且同时还能帮我把数据包做一次转发呢
这个设备就是路由器它的功能就是作为一台独立的拥有 MAC 地址的设备并且可以帮我把数据包做一次转发你把它定在了网络层。 注意路由器的每一个端口都有独立的 MAC 地址
好了现在交换机的 MAC 地址表中只需要多出一条 MAC 地址 ABAB 与其端口的映射关系就可以成功把数据包转交给路由器了这条搞定。
那如何做到把发送给 C 和 D甚至是把发送给 DEFGH.... 的数据包统统先发送给路由器呢
不难想到这样一个点子假如电脑 C 和 D 的 MAC 地址拥有共同的前缀比如分别是
C 的 MAC 地址FFFF-FFFF-CCCC D 的 MAC 地址FFFF-FFFF-DDDD
那我们就可以说将目标 MAC 地址为 FFFF-FFFF-开头的统统先发送给路由器。
这样是否可行呢答案是否定的。
我们先从现实中 MAC 地址的结构入手MAC地址也叫物理地址、硬件地址长度为 48 位一般这样来表示
00-16-EA-AE-3C-40
它是由网络设备制造商生产时烧录在网卡的EPROM一种闪存芯片通常可以通过程序擦写。其中前 24 位00-16-EA代表网络硬件制造商的编号后 24 位AE-3C-40是该厂家自己分配的一般表示系列号。只要不更改自己的 MAC 地址MAC 地址在世界是唯一的。形象地说MAC地址就如同身份证上的身份证号码具有唯一性。
那如果你希望向上面那样表示将目标 MAC 地址为 FFFF-FFFF-开头的统一从路由器出去发给某一群设备后面会提到这其实是子网的概念那你就需要要求某一子网下统统买一个厂商制造的设备要么你就需要要求厂商在生产网络设备烧录 MAC 地址时提前按照你规划好的子网结构来定 MAC 地址并且日后这个网络的结构都不能轻易改变。
这显然是不现实的。
于是你发明了一个新的地址给每一台机器一个 32 位的编号如
11000000101010000000000000000001
你觉得有些不清晰于是把它分成四个部分中间用点相连。
11000000.10101000.00000000.00000001
你还觉得不清晰于是把它转换成 10 进制。
192.168.0.1
最后你给了这个地址一个响亮的名字IP 地址。现在每一台电脑同时有自己的 MAC 地址又有自己的 IP 地址只不过 IP 地址是软件层面上的可以随时修改MAC 地址一般是无法修改的。
这样一个可以随时修改的 IP 地址就可以根据你规划的网络拓扑结构来调整了。 如上图所示假如我想要发送数据包给 ABCD 其中一台设备不论哪一台我都可以这样描述将 IP 地址为 192.168.0 开头的全部发送给到路由器之后再怎么转发交给它巧妙吧。
那交给路由器之后路由器又是怎么把数据包准确转发给指定设备的呢
别急我们慢慢来。
我们先给上面的组网方式中的每一台设备加上自己的 IP 地址 现在两个设备之间传输除了加上数据链路层的头部之外还要再增加一个网络层的头部。
假如 A 给 B 发送数据由于它们直接连着交换机所以 A 直接发出如下数据包即可其实网络层没有体现出作用。 但假如 A 给 C 发送数据A 就需要先转交给路由器然后再由路由器转交给 C。由于最底层的传输仍然需要依赖以太网所以数据包是分成两段的。
A ~ 路由器这段的包如下 路由器到 C 这段的包如下 好了上面说的两种情况A-BA-C相信细心的读者应该会有不少疑问下面我们一个个来展开。
A 给 C 发数据包怎么知道是否要通过路由器转发呢
答案子网
如果源 IP 与目的 IP 处于一个子网直接将包通过交换机发出去。
如果源 IP 与目的 IP 不处于一个子网就交给路由器去处理。
好那现在只需要解决什么叫处于一个子网就好了。
192.168.0.1 和 192.168.0.2 处于同一个子网192.168.0.1 和 192.168.1.1 处于不同子网
这两个是我们人为规定的即我们想表示对于 192.168.0.1 来说
192.168.0.xxx 开头的就算是在一个子网否则就是在不同的子网。
那对于计算机来说怎么表达这个意思呢于是人们发明了子网掩码的概念
假如某台机器的子网掩码定为 255.255.255.0
这表示将源 IP 与目的 IP 分别同这个子网掩码进行与运算相等则是在一个子网不相等就是在不同子网就这么简单。
比如
A电脑192.168.0.1 255.255.255.0 192.168.0.0B电脑192.168.0.2 255.255.255.0 192.168.0.0C电脑192.168.1.1 255.255.255.0 192.168.1.0D电脑192.168.1.2 255.255.255.0 192.168.1.0
那么 A 与 B 在同一个子网C 与 D 在同一个子网但是 A 与 C 就不在同一个子网与 D 也不在同一个子网以此类推。 所以如果 A 给 C 发消息A 和 C 的 IP 地址分别 A 机器配置的子网掩码发现不相等则 A 认为 C 和自己不在同一个子网于是把包发给路由器就不管了之后怎么转发A 不关心。
A 如何知道哪个设备是路由器
答案在 A 上要设置默认网关
上一步 A 通过是否与 C 在同一个子网内判断出自己应该把包发给路由器那路由器的 IP 是多少呢
其实说发给路由器不准确应该说 A 会把包发给默认网关。
对 A 来说A 只能直接把包发给同处于一个子网下的某个 IP 上所以发给路由器还是发给某个电脑对 A 来说也不关心只要这个设备有个 IP 地址就行。
所以默认网关就是 A 在自己电脑里配置的一个 IP 地址以便在发给不同子网的机器时发给这个 IP 地址。 仅此而已
路由器如何知道C在哪里
答案路由表
现在 A 要给 C 发数据包已经可以成功发到路由器这里了最后一个问题就是路由器怎么知道收到的这个数据包该从自己的哪个端口出去才能直接或间接地最终到达目的地 C 呢。
路由器收到的数据包有目的 IP 也就是 C 的 IP 地址需要转化成从自己的哪个端口出去很容易想到应该有个表就像 MAC 地址表一样。
这个表就叫路由表。
至于这个路由表是怎么出来的有很多路由算法本文不展开因为我也不会哈哈~
不同于 MAC 地址表的是路由表并不是一对一这种明确关系我们下面看一个路由表的结构。 目的地址 子网掩码 下一跳 端口 192.168.0.0 255.255.255.0 0 192.168.0.254 255.255.255.255 0 192.168.1.0 255.255.255.0 1 192.168.1.254 255.255.255.255 1
我们学习一种新的表示方法由于子网掩码其实就表示前多少位表示子网的网段所以如 192.168.0.0255.255.255.0 也可以简写为 192.168.0.0/24 目的地址 下一跳 端口 192.168.0.0/24 0 192.168.0.254/32 0 192.168.1.0/24 1 192.168.1.254/32 1
这就很好理解了路由表就表示192.168.0.xxx 这个子网下的都转发到 0 号端口192.168.1.xxx 这个子网下的都转发到 1 号端口。下一跳列还没有值我们先不管
配合着结构图来看这里把子网掩码和默认网关都补齐了 刚才说的都是 IP 层但发送数据包的数据链路层需要知道 MAC 地址可是我只知道 IP 地址该怎么办呢
答案arp
假如你A此时不知道你同伴 B 的 MAC 地址现实中就是不知道的刚刚我们只是假设已知你只知道它的 IP 地址你该怎么把数据包准确传给 B 呢
答案很简单在网络层我需要把 IP 地址对应的 MAC 地址找到也就是通过某种方式找到 192.168.0.2 对应的 MAC 地址 BBBB。
这种方式就是 arp 协议同时电脑 A 和 B 里面也会有一张 arp 缓存表表中记录着 IP 与 MAC 地址的对应关系。 IP 地址 MAC 地址 192.168.0.2 BBBB
一开始的时候这个表是空的电脑 A 为了知道电脑 B192.168.0.2的 MAC 地址将会广播一条 arp 请求B 收到请求后带上自己的 MAC 地址给 A 一个响应。此时 A 便更新了自己的 arp 表。
这样通过大家不断广播 arp 请求最终所有电脑里面都将 arp 缓存表更新完整。 总结一下
好了总结一下到目前为止就几条规则
从各个节点的视角来看
电脑视角
首先我要知道我的 IP 以及对方的 IP通过子网掩码判断我们是否在同一个子网在同一个子网就通过 arp 获取对方 mac 地址直接扔出去不在同一个子网就通过 arp 获取默认网关的 mac 地址直接扔出去
交换机视角
我收到的数据包必须有目标 MAC 地址通过 MAC 地址表查映射关系查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去查不到就所有端口都发出去
路由器视角
我收到的数据包必须有目标 IP 地址通过路由表查映射关系查到了就按照映射关系从我的指定端口发出去不在任何一个子网范围走其路由器的默认网关也是查到了查不到则返回一个路由不可达的数据包
如果你嗅觉足够敏锐你应该可以感受到下面这句话
网络层IP协议本身没有传输包的功能包的实际传输是委托给数据链路层以太网中的交换机来实现的。
涉及到的三张表分别是
交换机中有 MAC 地址表用于映射 MAC 地址和它的端口路由器中有路由表用于映射 IP 地址(段)和它的端口电脑和路由器中都有 arp 缓存表用于缓存 IP 和 MAC 地址的映射关系
这三张表是怎么来的
MAC 地址表是通过以太网内各节点之间不断通过交换机通信不断完善起来的。路由表是各种路由算法 人工配置逐步完善起来的。arp 缓存表是不断通过 arp 协议的请求逐步完善起来的。
知道了以上这些目前网络上两个节点是如何发送数据包的这个过程就完全可以解释通了 那接下来我们就放上本章 最后一个 网络拓扑图吧请做好 战斗 准备 这时路由器 1 连接了路由器 2所以其路由表有了下一条地址这一个概念所以它的路由表就变成了这个样子。如果匹配到了有下一跳地址的一项则需要再次匹配找到其端口并找到下一跳 IP 的 MAC 地址。
也就是说找来找去最终必须能映射到一个端口号然后从这个端口号把数据包发出去。 目的地址 下一跳 端口 192.168.0.0/24 0 192.168.0.254/32 0 192.168.1.0/24 1 192.168.1.254/32 1 192.168.2.0/24 192.168.100.5 192.168.100.0/24 2 192.168.100.4/32 2 这时如果 A 给 F 发送一个数据包能不能通呢如果通的话整个过程是怎样的呢 思考一分钟... 详细过程动画描述 详细过程文字描述
1. 首先 A192.168.0.1通过子网掩码255.255.255.0计算出自己与 F192.168.2.2并不在同一个子网内于是决定发送给默认网关192.168.0.254
2. A 通过 ARP 找到 默认网关 192.168.0.254 的 MAC 地址。
3. A 将源 MAC 地址AAAA与网关 MAC 地址ABAB封装在数据链路层头部又将源 IP 地址192.168.0.1和目的 IP 地址192.168.2.2注意这里千万不要以为填写的是默认网关的 IP 地址从始至终这个数据包的两个 IP 地址都是不变的只有 MAC 地址在不断变化封装在网络层头部然后发包 4. 交换机 1 收到数据包后发现目标 MAC 地址是 ABAB转发给路由器1
5. 数据包来到了路由器 1发现其目标 IP 地址是 192.168.2.2查看其路由表发现了下一跳的地址是 192.168.100.5
6. 所以此时路由器 1 需要做两件事第一件是再次匹配路由表发现匹配到了端口为 2于是将其封装到数据链路层最后把包从 2 号口发出去。
7. 此时路由器 2 收到了数据包看到其目的地址是 192.168.2.2查询其路由表匹配到端口号为 1准备从 1 号口把数据包送出去。
8. 但此时路由器 2 需要知道 192.168.2.2 的 MAC 地址了于是查看其 arp 缓存找到其 MAC 地址为 FFFF将其封装在数据链路层头部并从 1 号端口把包发出去。
9. 交换机 3 收到了数据包发现目的 MAC 地址为 FFFF查询其 MAC 地址表发现应该从其 6 号端口出去于是从 6 号端口把数据包发出去。
10. F 最终收到了数据包并且发现目的 MAC 地址就是自己于是收下了这个包
