Linux系统之网络基础概念

本篇目标：

1.了解网络传输基本流程

2.认识MAC，IP地址

3.了解数据包封装和分用过程

一.网络传输基本流程

1.局域网通信原理

1.1.举例说明

本次以局域网中的以太网为例子，我们先想一个问题：

两台主机在同⼀个局域网，是否能够直接通信？

先举一个生活中的例子来回答：

李老师正在教室里上课。当老师喊“小王”并提出问题时，教室里的张三、李四和王五虽然也能听见老师说话，但他们发现老师叫的不是自己的名字，因此不会回答，而是直接忽略这条信息。

小王听到自己的名字后，知道老师是在和自己说话，于是接收问题并作出回答。小王回答时，目标是李老师，其他同学听见后同样不需要处理。

在这个过程中，姓名用于标识信息的发送目标：

• “小王”表示问题应该由小王接收。
• “李老师”表示回答应该交给李老师。
• 其他人即使听到了信息，发现目标不是自己，也会将其忽略。

局域网中的计算机通信也需要类似的标识。那么在以太网中，每个网络接口都具有一个 MAC 地

址，用于在局域网中标识对应的网络接口。

所以想要直接通信，需要包含一下的两个东西：

• 源 MAC 地址：表示数据由谁发送。
• 目的 MAC 地址：表示数据要发送给谁。

1.2.认识MAC地址

接下来就让我们认识一下MAC地址吧!

作用：识别数据链路层中相连的节点;

长度为 48 比特位，即 6 个字节，⼀般用16 进制数字加上冒号的形式来表示

例如： 08:00:27:03:fb:19

注意：mac地址在网卡出厂时就确定了，不能修改mac地址，通常是唯⼀的(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).

接下来让我们以一个图片来认识以太网的通信原理，如图：

解释：首先，主机 A 向主机 E 发送数据。在共享式以太网中，主机 B、C、D 和 E 的网卡都能收到该数据帧。每台主机都会检查数据帧中的目的 MAC 地址。主机 B、C、D 发现目的 MAC 地址与自己的 MAC 地址不匹配，因此将数据帧丢弃；主机 E 发现目的 MAC 地址与自己的 MAC 地址匹配，因此接收该数据帧。

特点：

• 在以太网中，任何时刻，只允许⼀台机器向网络中发送数据；

• 如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞；

• 所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免；

• 没有交换机的情况下，⼀个以太网就是⼀个碰撞域；

• 局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac地址判定。

可能有人会有这个疑问：只允许⼀台机器向网络中发送数据和如果有多台同时发送，这两个不是很矛盾吗？

答案：这两句话并不矛盾，其主要意思是：在同一个碰撞域中，同一时刻只能有一台主机成功地发送数据。如果主机 A 和主机 B 同时发送数据，两个信号就会相互干扰，从而发生数据碰撞。双方在发送过程中都会进行碰撞检测。检测到碰撞后，它们会立即停止发送，然后分别随机等待一段时间，再重新尝试发送数据。

2.数据传输

初步明白了局域网通信原理，再来看同⼀个网段内的两台主机进行发送消息的过程：

如图：

而其中每层都有协议，所以当进行上述传输流程的时候，要进行封装和解包，封装如图：

• 报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们⼀般叫做报头

• 除了报头，剩下的叫做有效载荷

• 故，报文=报头+有效载荷

解释：

假设用户 A 想通过网络发送一句：你好

这里的“你好”只是为了方便理解。计算机中实际传输的是经过字符编码后的二进制数据。

<1>. 应用层封装

应用层首先按照应用层协议组织数据：

应用层报头 | “你好”

其中：

• "你好"是用户真正想发送的数据。
• 应用层报头记录应用程序约定的信息。

经过应用层封装后：

应用层报头 + “你好”

整体成为传输层眼中的有效载荷。

<2>. 传输层封装

应用层数据向下交给传输层。传输层不会修改应用层数据的内部结构，而是在其前面添加传输层报头：

传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

此时：

应用层报头 + “你好”

是传输层的有效载荷。

而整个：

传输层报头 + 应用层报头 + “你好”

又会成为网络层的有效载荷。

<3>. 网络层封装

传输层数据继续向下交给网络层。网络层添加 IP 报头：

网络层报头 | 传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

IP 地址(后面讲)用于确定数据需要从哪台主机发送到哪台主机。

<4>. 数据链路层封装

网络层数据继续交给数据链路层。以以太网为例，数据链路层添加以太网帧头：

链路层报头 | 网络层报头 | 传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

链路层报头中主要包含：

• 源 MAC 地址
• 目的 MAC 地址
• 上层协议类型

然后网卡将完整的以太网帧转换成电信号、光信号或者无线信号发送出去。

解包与分用如图：

解释：

<1>. 网卡接收完整数据帧

主机 B 的网卡最先收到的是完整的以太网帧：

链路层报头 | 网络层报头 | 传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

网卡接收到数据后，将其交给数据链路层处理。

<2>. 数据链路层解包

数据链路层只关心链路层报头，主要检查：

• 目的 MAC 地址是否是自己的。
• 数据帧是否发生错误。
• 上层协议是什么。

确认数据帧应该由自己接收后，数据链路层去掉链路层报头：

网络层报头 | 传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

<3>. 网络层解包

网络层接收到 IP 数据报：

网络层报头 | 传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

处理完成后，去掉网络层报头：

传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

<4>. 传输层解包

传输层收到：

传输层报头 | 应用层报头 | “你好”

处理完成后，去掉传输层报头：

应用层报头 | “你好”

<5>. 应用层解析数据

应用程序收到：

应用层报头 | “你好”

应用程序根据对应的应用层协议解析应用层报头，然后取出真正的用户数据：

“你好”

最终，用户 B 才能看到发送方传来的消息。

解包就是每一层解析并去掉属于本层的协议报头，将剩余数据交给上一层。

然后我们要谈谈几个问题了

<1>.为什么是自顶向下封装？

答：网络数据由上层的用户程序产生，而用户程序不能直接操作底层网卡，只能通过系统调用把数

据交给操作系统。操作系统再按照协议栈从上到下依次处理数据，最终通过网卡驱动控制网卡发送

数据。

<2>.每一一层解包后，上层协议有这么多，如何做到将自己的有效载荷，交付给上层具体的一个协议的？

答：这里就是分用的作用了，分用就是一层收到数据后，根据报头中的某个字段，决定把数据交给上层的哪个协议或者哪个应用程序。

<3>同层之间，都认为自己在和对方同层协议之间在通信？

答：发送方某一层添加的协议报头由接收方对应层解析；但数据实际仍然要经过发送方自顶向下封装、网络传输以及接收方自底向上解包。

<4>.为什么叫做协议栈？

答：发送方的数据从应用层向下传递，每经过一层，就添加一个本层报头，如图：

接收方按照相反的顺序处理，如图：

也就是说：最后添加的链路层报头最先被解析，最先添加的应用层报头最后被解析，具有“后进先出”的特点。

3.跨络络传输流程

3.1.认识IP地址

IP 协议有两个版本，IPv4和IPv6，凡是提到IP协议,没有特殊说明的，默认都是IPv4。

作用：用来标识网络中不同主机的唯一地址;

大小：IP 地址是⼀个 4 字节，32 位的整数;

注意：通常也使用"点分十进制"的字符串表示 IP 地址，例如192.168.0.1;用点分割的每⼀个数字表示⼀个字节，范围是0 - 255 192.168.0.1 ;

然后跨网段的主机的数据传输，数据从⼀台计算机到另⼀台计算机传输过程中要经过⼀个或多个路

由器，如图：

为什么要去目标主机，先要走路由器？

解释：如果目标主机在同一局域网，可以通过IP地址直接发送到目标主机，但是目标主机在其他网络，先交给默认网关，由路由器根据目的 IP ，通过MAC地址找到下一个局域网

IP地址的意义？如图：

解释：首先主机 A 判断目标不在本地局域网，主机 A 要发送的 IP 数据报是：

源IP：192.168.2.2 目的IP：172.168.2.2 数据：你好

主机 A 判断出172.168.2.2与自己不在同一个局域网，因此不能直接发送给主机 B，只能先交给路由器192.168.2.1。

路由器收到数据后：

去掉原来的链路层报头。 查看目的 IP：172.168.2.2。 查询路由表。 发现目标位于右边的 172.168.2.0 网络。 决定从右侧接口 172.168.2.1 发送。

然后重新封装 MAC 地址：

源MAC：路由器右接口MAC 目的MAC：主机B的MAC

IP 地址通常保持不变：

源IP：192.168.2.2 目的IP：172.168.2.2

主机 B 收到数据帧后发现：

• 目的 MAC 是自己的。
• 目的 IP 也是自己的。

于是逐层解包，最终把“你好”交给用户 B。

然后结合封装与解包，体现路由器解包和重新封装的特点，如图：

3.2.IP地址和MAC地址的区别

解释：

可以把唐三藏西天取经的过程，类比成一个 IP 数据报跨越多个局域网到达目标主机的过程。

假设：

出发地：东土大唐 目的地：西天灵山 中途经过：两界山、高老庄、流沙河、火焰山等地

其中：

• 东土大唐相当于源 IP 地址。
• 西天灵山相当于目的 IP 地址。
• 中途经过的每个驿站相当于路由器。
• 每两个驿站之间相当于一个局域网。

唐三藏的通关文牒上始终写着：

出发地：东土大唐 目的地：西天灵山

无论唐三藏目前走到了高老庄、流沙河还是火焰山，他的最终目的地始终是西天。

这就相当于 IP 数据报中的：

源IP地址：东土大唐 目的IP地址：西天灵山

在不考虑特殊情况时，数据经过多个路由器，源 IP 和目的 IP 通常不会改变：

整个过程中始终是：

源IP：东土大唐 目的IP：西天灵山

所以：IP 地址负责描述数据最终从哪台主机发出，要到达哪台主机。

但是唐三藏不可能从东土大唐一步直接走到西天，他每次只能先前往下一个地点。

例如：

东土大唐 → 两界山 两界山 → 高老庄 高老庄 → 流沙河 流沙河 → 火焰山 火焰山 → 西天灵山

在“东土大唐到两界山”这一段，当前的交接信息可以理解为：

源MAC：东土大唐驿站 目的MAC：两界山驿站

到达两界山以后，原来的 MAC地址就没有用了。两界山重新决定下一站是高老庄，并更换交接信息：

源MAC：两界山驿站 目的MAC：高老庄驿站

到达高老庄后再次更换：

源MAC：高老庄驿站 目的MAC：流沙河驿站

所以MAC 地址只负责当前这一段链路的交付，每经过一台路由器，源 MAC 地址和目的 MAC 地址通常都会改变。

总结：目的IP是⼀种长远目标，Mac是下⼀阶段目标，目的IP是路径选择的重要依据，mac地址是局域网转发的重要依据。

网络通信的宏观流程，如图：