原来这就是网络
你是一台电脑,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。
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直到有一天,你希望与另一台电脑B建立连接,于是你们各开了一个网口,用一根网线连接了起来。
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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~
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/2319293/202201/2319293-20220111220009436-101624212.gif)
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。
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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~)
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210112113229408-608147059.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210112113237519-90632179.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/2319293/202201/2319293-20220111220009547-1585242517.gif)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210112180112546-2060866082.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160719106-720454177.gif)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160752131-1012438977.gif)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160801901-445676775.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160858615-1822730185.png)
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
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160907033-656727777.png)
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:
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:
过程如下
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160940898-874572467.gif)
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~
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113160959373-1649379495.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161118181-1249284127.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161205246-2003100799.png)
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
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161220286-787982509.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161403507-1635022832.png)
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:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161418577-1258702647.png)
路由器到 C 这段的包如下:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161428566-2097087686.png)
好了,上面说的两种情况(A->B,A->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 = 192.168.0.0
- B电脑:192.168.0.2 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
- C电脑:192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0
- D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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161508940-44439559.png)
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。
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161533026-2086301749.png)
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 192.168.0.0(255.255.255.0) 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)
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161643720-1899800112.gif)
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 B(192.168.0.2)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!
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161739153-1929826020.png)
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!
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161800183-136989726.png)
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?
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161811762-1413374819.png)
思考一分钟...
详细过程动画描述:
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161833188-1240436827.gif)
详细过程文字描述:
1. 首先 A(192.168.0.1)通过子网掩码(255.255.255.0)计算出自己与 F(192.168.2.2)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
![](https://img2020.cnblogs.com/blog/1096103/202101/1096103-20210113161840079-760802967.png)
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
至此,经过物理层、数据链路层、网络层这前三层的协议,以及根据这些协议设计的各种网络设备(网线、集线器、交换机、路由器),理论上只要拥有对方的 IP 地址,就已经将地球上任意位置的两个节点连通了。