极客时间--趣谈网络协议--第二模块 底层网络知识详解：从链路层到网络层 总结

数据链路层

以下三个问题需要被解决

这个包是发给谁的？谁应该接收？

大家都在发，会不会产生混乱？有没有谁先发、谁后发的规则？

如果发送的时候出现了错误，怎么办？

 

MAC 的全称是 Medium Access Control，即媒体访问控制。控制什么呢？其实就是控制在往媒体上发数据的时候，谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。这解决的是第二个问题。这个问题中的规则，学名叫多路访问。

有很多算法可以解决这个问题。就像车管所管束马路上跑的车，能想的办法都想过了。比如接下来这三种方式：

方式一：分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分；

方式二：今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议；

方式三：不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这个方式。

接下来要解决第一个问题：发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常被称为MAC 地址。

解决第一个问题就牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网，第二层的最开始，就是目标的 MAC 地址和源的 MAC 地址。

对于以太网，第二层的最后面是 CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误，主要解决第三个问题。

这里还有一个没有解决的问题，当源机器知道目标机器的时候，可以将目标地址放入包里面，如果不知道呢？一个广播的网络里面接入了 N 台机器，我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢？这就是 ARP 协议，也就是已知 IP 地址，求 MAC 地址的协议。

在一个局域网里面，当知道了 IP 地址，不知道 MAC 怎么办呢？靠“吼”。

为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

局域网

谁能知道目标 MAC 地址是否就是连接某个口的电脑的 MAC 地址呢？这就需要一个能把 MAC 头拿下来，检查一下目标 MAC 地址，然后根据策略转发的设备，按第二节课中讲过的，这个设备显然是个二层设备，我们称为交换机。

交换机怎么知道每个口的电脑的 MAC 地址呢？这需要交换机会学习。当交换机作为一个关卡一样，过了一段时间之后，就有了整个网络的一个结构了，这个时候，基本上不用广播了，全部可以准确转发。当然，每个机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，因而交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。

STP 协议

在数据结构中，有一个方法叫做最小生成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作 STP，全称 Spanning Tree Protocol。

如何解决广播问题和安全问题？

虚拟隔离，就是用我们常说的 VLAN，或者叫虚拟局域网。使用 VLAN，一个交换机上会连属于多个局域网的机器，那交换机怎么区分哪个机器属于哪个局域网呢？

我们只需要在原来的二层的头上加一个 TAG，里面有一个 VLAN ID，一共 12 位。为什么是 12 位呢？因为 12 位可以划分 4096 个 VLAN。

如果我们买的交换机是支持 VLAN 的，当这个交换机把二层的头取下来的时候，就能够识别这个 VLAN ID。这样只有相同 VLAN 的包，才会互相转发，不同 VLAN 的包，是看不到的。这样广播问题和安全问题就都能够解决了。

有人会问交换机之间怎么连接呢？将两个交换机连接起来的口应该设置成什么 VLAN 呢？对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作 Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。

ICMP 协议的格式

ping 是基于 ICMP 协议工作的。ICMP 全称 Internet Control Message Protocol，就是互联网控制报文协议。

常用的 ping 就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。

ping 命令执行的时候，源主机首先会构建一个 ICMP 请求数据包，ICMP 数据包内包含多个字段。最重要的是两个，第一个是类型字段，对于请求数据包而言该字段为 8；另外一个是顺序号，主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加 1。为了能够计算往返时间 RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。

Traceroute：差错报文类型的使用

Traceroute 的第一个作用就是故意设置特殊的 TTL，来追踪去往目的地时沿途经过的路由器。还有一个作用是故意设置不分片，从而确定路径的 MTU。

MAC 头和 IP 头的细节

　　在 MAC 头里面，先是目标 MAC 地址，然后是源 MAC 地址，然后有一个协议类型，用来说明里面是 IP 协议。IP 头里面的版本号，目前主流的还是 IPv4，服务类型 TOS 在第三节讲 ip addr 命令的时候讲过，TTL 在第 7 节讲 ICMP 协议的时候讲过。另外，还有 8 位标识协议。这里到了下一层的协议，也就是，是 TCP 还是 UDP。最重要的就是源 IP 和目标 IP。先是源 IP 地址，然后是目标 IP 地址。

 

 

如果是同一个网段，那就没网关什么事情，直接将源地址和目标地址放入 IP 头中，然后通过 ARP 获得 MAC 地址，将源 MAC 和目的 MAC 放入 MAC 头中，发出去就可以了。

如果不是同一网段，这就需要发往默认网关 Gateway。Gateway 的地址一定是和源 IP 地址是一个网段的。往往不是第一个，就是第二个。例如 192.168.1.0/24 这个网段，Gateway 往往会是 192.168.1.1/24 或者 192.168.1.2/24。

网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备。三层设备？就是把 MAC 头和 IP 头都取下来，然后根据里面的内容，看看接下来把包往哪里转发的设备。

路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网。每只手的 IP 地址都和局域网的 IP 地址相同的网段，每只手都是它握住的那个局域网的网关。

静态路由是什么？

静态路由，其实就是在路由器上，配置一条一条规则。每当要选择从哪只手抛出去的时候，就一条一条的匹配规则，找到符合的规则，就按规则中设置的那样，从某个口抛出去，找下一跳 IPX。

IP 头和 MAC 头哪些变、哪些不变？

MAC 地址是一个局域网内才有效的地址。因而，MAC 地址只要过网关，就必定会改变，因为已经换了局域网。两者主要的区别在于 IP 地址是否改变。

不改变 IP 地址的网关，我们称为转发网关；改变 IP 地址的网关，我们称为NAT 网关。

转发网关：每到一个新的局域网，MAC 都是要变的，但是 IP 地址都不变。在 IP 头里面，不会保存任何网关的 IP 地址。所谓的下一跳是，某个 IP 要将这个 IP 地址转换为 MAC 放入 MAC 头。此处的ip地址指的是目标和源ip都不变

NAT 网关：IP 地址也会变。这个过程用英文说就是 Network Address Translation，简称 NAT。

这第二种方式我们经常见，现在大家每家都有家用路由器，家里的网段是私有网段，出去的包需要 NAT 成公网的 IP 地址，因而路由器是一个 NAT 路由器。

家里的网段都是 192.168.1.x，所以你肯定访问不了你邻居家的这个私网的 IP 地址的。所以，当我们家里的包发出去的时候，都被家用路由器 NAT 成为了运营商的地址了。

很多办公室访问外网的时候，也是被 NAT 过的，因为不可能办公室里面的 IP 也是公网可见的，公网地址实在是太贵了，所以一般就是整个办公室共用一个到两个出口 IP 地址。你可以通过 https://www.whatismyip.com/ 查看自己的出口 IP 地址。

如何配置路由？

当一个入口的网络包送到路由器时，它会根据一个本地的转发信息库，来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。

一张路由表中会有多条路由规则。每一条规则至少包含这三项信息。

目的网络：这个包想去哪儿？

出口设备：将包从哪个口扔出去？

下一跳网关：下一个路由器的地址。

通过 route 命令和 ip route 命令都可以进行查询或者配置。

例如，我们设置 ip route add 10.176.48.0/20 via 10.173.32.1 dev eth0，就说明要去 10.176.48.0/20 这个目标网络，要从 eth0 端口出去，经过 10.173.32.1。

静态路由，网关上的路由策略就是按照这三项配置信息进行配置的。

这种配置方式的一个核心思想是：根据目的 IP 地址来配置路由。

如何配置策略路由？

除了可以根据目的 ip 地址配置路由外，还可以根据多个参数来配置路由，这就称为策略路由。

可以配置多个路由表，可以根据源 IP 地址、入口设备、TOS 等选择路由表，然后在路由表中查找路由。这样可以使得来自不同来源的包走不同的路由。

例如，我们设置：

ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10 
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20

表示从 192.168.1.10/24 这个网段来的，使用 table 10 中的路由表，而从 192.168.2.0/24 网段来的，使用 table20 的路由表。

在一条路由规则中，也可以走多条路径。例如，在下面的路由规则中：

ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2

下一跳有两个地方，分别是 100.100.100.1 和 200.200.200.1，权重分别为 1 比 2。

动态路由算法

如何找到最短路径：

1. 距离矢量路由算法

第一大类的算法称为距离矢量路由（distance vector routing）。它是基于 Bellman-Ford 算法的。

这种算法的基本思路是，每个路由器都保存一个路由表，包含多行，每行对应网络中的一个路由器，每一行包含两部分信息，一个是要到目标路由器，从那条线出去，另一个是到目标路由器的距离。

那这个信息如何更新呢？每个路由器都知道自己和邻居之间的距离，每过几秒，每个路由器都将自己所知的到达所有的路由器的距离告知邻居，每个路由器也能从邻居那里得到相似的信息。每个路由器根据新收集的信息，计算和其他路由器的距离

这个算法比较简单，但是还是有问题。

第一个问题：好消息传得快，坏消息传得慢。

一个新加入的路由器会很快被发现到，一个路由器挂了，不能直接知道他挂了而是全都访问一遍。

第二个问题：每次发送的时候，要发送整个全局路由表。

网络大了，谁也受不了，所以最早的路由协议 RIP 就是这个算法。它适用于小型网络（小于 15 跳）。当网络规模都小的时候，没有问题。现在一个数据中心内部路由器数目就很多，因而不适用了。所以上面的两个问题，限制了距离矢量路由的网络规模。

2. 链路状态路由算法

第二大类算法是链路状态路由（link state routing），基于 Dijkstra 算法。

这种算法的基本思路是：当一个路由器启动的时候，首先是发现路由器，然后计算和邻居的距离，发送一个 echo，要求马上返回，除以二就是距离。然后将自己和新路由器的链路状态包广播出去，发送到整个网络的每个路由器。这样每个路由器都能够收到它和路由器之间的关系的信息。因而，每个路由器都能在自己本地构建一个完整的图，然后针对这个图使用 Dijkstra 算法，找到两点之间的最短路径。

动态路由协议

1. 基于链路状态路由算法的 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）就是这样一个基于链路状态路由协议，广泛应用在数据中心中的协议。由于主要用在数据中心内部，用于路由决策，因而称为内部网关协议（Interior Gateway Protocol，简称 IGP）。

内部网关协议的重点就是找到最短的路径。在一个组织内部，路径最短往往最优。当然有时候 OSPF 可以发现多个最短的路径，可以在这多个路径中进行负载均衡，这常常被称为等价路由。

这一点非常重要。有了等价路由，到一个地方去可以有相同的两个路线，可以分摊流量，还可以当一条路不通的时候，走另外一条路。这个在后面我们讲数据中心的网络的时候，一般应用的接入层会有负载均衡 LVS。它可以和 OSPF 一起，实现高吞吐量的接入层设计。

2. 基于距离矢量路由算法的 BGP

外网路由协议（Border Gateway Protocol，简称 BGP）。有些路径虽然近但是目标地址有自己的路由规则，在网络世界，称为自治系统 AS（Autonomous System）。自治系统分几种类型。

• Stub AS：对外只有一个连接。这类 AS 不会传输其他 AS 的包。例如，个人或者小公司的网络。
• Multihomed AS：可能有多个连接连到其他的 AS，但是大多拒绝帮其他的 AS 传输包。例如一些大公司的网络。
• Transit AS：有多个连接连到其他的 AS，并且可以帮助其他的 AS 传输包。例如主干网。

每个自治系统都有边界路由器，通过它和外面的世界建立联系。

BGP 又分为两类，eBGP 和 iBGP。自治系统间，边界路由器之间使用 eBGP 广播路由。内部网络也需要访问其他的自治系统。

边界路由器如何将 BGP 学习到的路由导入到内部网络呢？就是通过运行 iBGP，使得内部的路由器能够找到到达外网目的地的最好的边界路由器。

BGP 协议使用的算法是路径矢量路由协议（path-vector protocol）。它是距离矢量路由协议的升级版。