底层网络知识详解：从二层到三层

概述
一、从物理层到MAC层
- 1.1 第一层(物理层)
- 1.2 第二层(数据链路层)
二、交换机与VLAN
- 2.1 如何解决广播问题和安全问题？
三、ICMP和ping
- 3.1 ICMP协议的格式
- 3.2 ICMP报文类型
- 3.3 ping：查询报文类型的使用
- 3.4 Traceroute：差错报文类型的使用
四、网关
五、路由协议
- 5.1 如何配置策略路由？
- 5.2 动态路由算法
- 5.3 动态路由协议：

这个专栏的计算机网络协议，我是在极客时间上学习已经有三万多人购买的刘超老师的趣谈网络协议专栏，讲的特别好，像看小说一样学习到了平时很枯燥的知识点，计算机网络的书籍太枯燥，感兴趣的同学可以去付费购买，绝对物超所值，本文就是对自己学习专栏的总结,评论区可以留下你的问题，咱们一起讨论！

我在CSDN写博客的目的真的不是为了写而写，写博客的意义一来是方便自己复习，二来是也是想分享知识。我并不会说侵犯刘超老师的版权，我也不是照抄，作者的文章内容很精彩，我是记录自己想学的点，当作一个笔记方便自己复习。大家可能看到这篇文也会去购买专栏学习，或者看到觉得有一点点用就可以啦！

概述

上一篇文章中对通信网络协议做了一个综述，这一篇开始底层网络知识详解：从二层到三层 分为以下五小节去介绍：

从物理层到MAC层；
交换机与VLAN；
ICMP和ping；
网关；
路由协议；

一、从物理层到MAC层

1.1 第一层(物理层)

电脑连接电脑，除了网线交叉，还需要配置这两台电脑的IP地址、子网掩码和默认网关
IP层封装了MAC层才能放入物理层，两台电脑可以通过网线构成一个局域网，LAN
多台电脑可以通过Hub集线器进行连接。

1.2 第二层(数据链路层)

Hub采取的是广播的模式，无法确定接收者，数据发送混乱没有先后顺序、发送出错怎么办?

MAC层就是要解决这些问题，MAC全称是Medium Access Control(媒体访问控制)，其实就是控制数据在媒体上的发送；

多路访问解决数据发送混乱：

信道划分，例如分为多车道，每个车一个道；
轮流协议，单双号出行；
随机接入协议，错峰出行；

为了解决了媒体接入控制的问题，就要考虑：发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是常用于解决流媒体接入控制问题，所以常被称为MAC地址。

第二层的网络包的格式如下图所示，首先是包含目标MAC地址和源MAC地址，类型是IP数据包，IP里面封装了TCP、UDP，以及HTTP；数据包在链路上广播，MAC网卡通过目标MAC地址接收数据包，打开IP包，发现IP地址也是自己的，再打开TCP包，发现端口是自己，也就是80，而nginx就是监听80端口；

于是将请求提交给nginx，nginx返回一个网页。然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装，最后到MAC层。因为来的时候有源MAC地址，返回的时候，源MAC就变成了目标MAC，再返给请求的机器。

第二层的后面是CRC,就是循环冗余检测，通过XOR异或的算法，来计算整个包在传输过程中是否发生了错误。

在一个局域网中如果已知IP地址，求MAC地址，可以采用ARP协议；广播一个IP包，谁是这个IP谁来回答，回答的报文如下，机器会在本地进行ARP缓存来避免每次都用ARP协议，随着机器的上下线，缓存也会失效。

交换机是一个二层设备，假设一个数据包要从MAC1发送到MAC2，但是交换机不知道在MAC2电脑的哪个口，这个时候会将包发送给所有的口，找到MAC2电脑的接口之后，通过转发表来记录下对应的MAC地址，保证下次准确转发。

当机器的IP地址、端口发生改变，转发表中的信息也会发生改变。

总结：
第一，MAC地址是用来解决多路访问的堵车问题；
第二，ARP是通过吼的方式来寻找目标MAC地址，吼完以后，记住一段时间，叫作缓存；
第三，交换机是由MAC地址学习能力的，学完了就知道谁在哪儿了，不用广播了

二、交换机与VLAN

上文中讲了交换机，假如公司越来越大，交换机数目肯定越来越多。交换机之间连接起来，就形成复杂的拓扑结构。这么多网线，绕过来绕过去，不可避免地会出现一些意料不到的情况，其中常见的问题就是环路问题，如下图所示：

这就需要采用使用STP协议，解决环路问题：
在数据结构中，有一个方法叫作最小生成树。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。**有环路的图变成没有环路的树，从而解决环路问题。这里我就不细细描述了，感兴趣的同学可以去学习一下！

2.1 如何解决广播问题和安全问题？

交换机数目多，会面临广播问题和安全问题；一大波机器和交换机，就是想一个公司中相关的部门、不相关的部门，大家都在一个会议室开会吵吵闹闹的，乱的很，这种广播问题就会导致性能下降；

有的部门会议内容需要保密，如果都在一个广播域里面，碰到了一个会抓包的程序员，就能抓到这些包，如果没有加密，就能看到这些敏感信息了。就像是大家都在会议室里七嘴八舌，讨论的问题也能被别人听见喽，就会导致安全问题。所以，那就要分部门、分会议室。

方法一:物理隔离
在网络方面，每个部门都有单独的交换机，配置着单独的子网，这样部门间的沟通就需要路由器；但是部门中的人数不固定，就会导致交换机中的接口空闲较多或者不够用；

方法二：虚拟隔离
常说的VLAN,或者说是虚拟局域网，使用VLAN,一个交换机上就会连着属于多个局域网的机器。交换机会根据二层头上的Tag中的VLAN ID，只有相同VLAN的包，才会互相转发，不同VLAN的包，是看不到的。

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。

三、ICMP和ping

当网络不通，你连不上另一台机器的时候，一般都会ping一下，ping是基于ICMP协议工作的；

3.1 ICMP协议的格式

ICMP全称Internet Control Message Protocol，就是互联网控制报文协议。

ICMP是封装在IP包中的，在传输指令的时候，需要源地址和目标地址，其格式如下：

ICMP报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为8，主动请求的应答为0。

3.2 ICMP报文类型

查询报文类型

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发的包符合ICMP协议，只不过在后面增加了自己的格式。

对ping的主动请求，进行网络抓包，称为ICMP ECHO REQUEST,同理主动请求的回复，称为**ICMP ECHO REPLY.**比起原先的ICMP,多了两个字段，一个是标识符，就像侦察兵，一类是侦察战况，一类是查找水源，需要采用标识对其进行区分。另一个是序号，ping会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。

差错报文类型

ICMP差错报文的例子：终点不可达为3，源抑制为4，超时为11，重定向为5

终点不可达：网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达、需要进行分片但设置了不分片位；
源站抑制：源站放慢发送速度；
时间超时：超过网络包的生存时间还没送达；
路由重新定向：下一次发给另一个路由器；

3.3 ping：查询报文类型的使用

一起来看一下ping的发送和接收过程：

假定主机A的IP地址是192.168.1.1，主机B的IP地址是192.168.1.2，它们都在同一个子网，当你在主机A上运行“ping 192.168.1.2”后，源主机首先会构建一个ICMP请求数据包，数据包中包含类型字段和顺序号；

然后，由ICMP协议将这个数据包连同地址192.168.1.2一起交给IP层，IP层将以192.168.1.2作为目的地址，本机IP地址作为源地址，加上一些其他控制信息，构建一个IP数据包。

接下来，需要加入MAC头，可以通过ARP查询MAC地址，之后传送出去；主机B收到这个数据帧后，先检查它的目的MAC地址，并和本机的MAC地址对比，如符合，则接收，否则就丢弃。接收后检查该数据帧，将IP数据包从帧中提取出来，交给本机的IP层。同样，IP层检查后，将有用的信息提取后交给ICMP协议。

主机B会构建一个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机A。在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达；反之，即不可达。

如果跨网段的话，还会涉及网关的转发、路由器的转发等等。

3.4 Traceroute：差错报文类型的使用

Traceroute的第一个作用: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

Traceroute的参数指向某个目的地的IP地址，它会发送一个UDP数据包，将TTL设置为1，也就是说一旦遇到一个路由器或者一个关卡，表示其牺牲了，如此反复到达目的地址，就获取到了所有路由器的IP;

Traceroute的第二个作用:故意设置不分片，从而确定路径的MTU;

发送分组，并设置“不分片”标志。每次收到ICMP"不能分片"差错时就会减少分组的长度，直到到达目标主机。

总结：

ICMP相当于网络世界的侦察兵,分为主动探查的查询报文，一种异常报告的差错报文；
ping使用查询报文，Traceroute 使用差错报文；

四、网关

在进行网卡配置的时候，除了IP地址，还需要配置一个Gateway的东西，这个就是网关。

一旦配置了IP地址和网关，往往就能够指定目标地址进行访问了。由于在跨网关访问的时候，牵扯到MAC地址和IP地址的变化，这里有必要详细描述一下MAC头和IP头的细节，如下图示：

MAC头里面，先是目标IP地址，然后是源MAC地址，然后有一个协议类型，说明里面是IP协议，里面的版本号主流还是IPv4,TOS代表着数据包的优先级，8位标识协议，指的是到了下一层的协议，是TCP还是UDP,最重要的是源IP和目标IP；

如果是在同一网段，就没网关啥事，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。

如果不在同一网段，需要访问校园网里面的BBS,这就需要发送给默认的网关Gateway,Gateway的地址一定是和源IP地址是一个网段的。例如：192.168.1.0/24这个网段，Gateway往往会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；三层设备的含义，就是把MAC头、IP头都取下来，根据里面的内容，看看接下来把包发送到哪的设备。

网关和路由器的关系：这个比喻就是路由器是一台设备，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地址都和局域网有相同的网段，每只手都是它握住的哪个局域网的网关。

静态路由

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？
将变与不变的问题分为两种类型，一个是“欧洲十国游”和“玄奘西行”

MAC只在一个局域网内有效，只要过网关，必须要改变，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，称为转发网关；改变IP地址的网关，称为NAT网关；

“欧洲十国游”

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；

整个过程中，IP头里面的地址都是不变的。IP地址在三个局域网都可见，在三个局域网之间的网段都不会冲突。在三个网段之间传输包，IP头不改变。这就像在欧洲各国之间旅游，一个签证就能搞定。

“玄奘西行”
局域网之间各定各的网段，导致IP段冲突，如果单从IP地址上看，简直是自己访问自己，其实是大唐的192.168.1.101要访问印度的192.168.1.101；

但其实就像咱们出国一样，不用国内的身份证，改用护照；

首先，目标服务器B在国际上要有一个国际的身份，我们给它一个192.168.56.2。在网关B上，我们记下来，国际身份192.168.56.2对应国内身份192.168.1.101。凡是要访问192.168.56.2，都转成192.168.1.101。于是，源服务器A要访问目标服务器B，要指定的目标地址为192.168.56.2。

当网络包发送到中间的局域网的时候，服务器A也需要有一个国际身份，因此在国际上，源ip地址不能用192.168.1.101，需要改成192.168.56.1；

而中间的路由器用来做NAT(Network Address Translation),用来转换对应的国际与国内的ip地址，并且配置了对应的静态路由规则；

现在大家每家都有家用路由器，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。你可以通过查看出口ip 查看自己的出口IP地址。

总结

如果离开局域网，就需要经过网关，网关是路由器的一个网口；
路由器是一个三层设备，里面有如何找下一跳的规则；
经过路由器后MAC头要变，如果IP不变，相当于不换护照的欧洲旅游，如果IP变，相当于换护照的玄奘西行。

五、路由协议

路由器就是一台网络设备，它有多张网卡。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。

路由器会根据路由表去正确的转发信息，路由表中有多条路由规则，需要根据目的IP地址来配置路由：

目的网络：数据包想去哪？
出口设备：将包从哪个口扔出？
下一跳网关：下一个路由器的地址；

5.1 如何配置策略路由？

真实复杂的网络环境中，除了根据目的ip地址配置路由之外，还可以根据多个参数来配置路由，就是策略路由，可以配置多个路由表，根据源ip地址、入口设备、TOS等选择路由表；

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，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

家里的网是私有网段，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;

例如，运营商1给路由器分配的地址是183.134.189.34/32，而运营商网络里面的网关是183.134.188.1/32。有的是/30的，也就是分了一个特别小的网段。运营商2给路由器分配的地址是60.190.27.190/30，运营商网络里面的网关是60.190.27.189/30。

5.2 动态路由算法

网络环境简单的时候，自己可控，可以采用静态路由，一旦网络结构发生变化，就需要动态路由算法;

使用动态路由器，可以根据路由协议算法生成动态路由表，类似于唐僧西天取经一样，转化为如何在途中找最短路径的问题；

1、距离矢量路由算法

算法：每个路由器都会保存一个路由表，包含多行，每行对应一个路由器，每一行包含两部分信息，一个是要到目标路由器，另一个是到目标路由器的距离；

每个路由器都是知道全局信息的，每个路由器都知道自己和邻居之间的距离；每个路由器都会根据自己新收集的信息，计算和其他路由器之间的距离。

第一个问题就是好消息传的快，坏消息传的慢：坏消息是指，一旦某个路由器挂了不会主动发消息，需要访问全部路径才能知道这个路由器挂了；

第二个问题就是每次发送的时候，要发送整个全局路由表：网络规模大了，这谁顶的住啊；

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

链路状态路由(link state routing) 基于Dijkstra算法；

算法：当一个路由器启动时，首先是发现邻居，向他们say hello,然后计算和邻居之间的距离，发送一个echo,马上返回/2,就是距离；然后将自己和邻居之间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收到它和邻居之间的关系的信息，每个路由器都可以在本地构建完整的图，采用Dijkstra算法找到两点之间的最短路径；

5.3 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)，广泛应用于数据中心的协议，主要用于数据中心内部，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是找到最短的路径，OSPF可以发现多个最短的路径，在这多个路径中进行负载均衡，常常被称为等价路由。

2、基于距离矢量路由算法的BGP
外网路由协议(Broder Gateway Protocol,简称BGP)

在网络世界中，可以让一个国家成为自治系统AS(Autonomous System),自治系统分为：

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:有多个连接到其他的AS,并且可以帮其他的AS传输包，例如：主干网。

BGP又分为两类，eBGP和iBGP。自治系统中，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。边界路由器通过运行iBGP,使得内部的路由器能够找到到达外网目的地最好的边界路由器。

总结

路由分静态路由和动态路由，静态路由可以配置复杂的策略路由，控制转发策略；
动态路由分为两种主流算法：距离矢量算法和链路状态算法，基于两种算法产生两种协议，BGP协议和OSPF协议；

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