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：

复制代码

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：

复制代码

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：

复制代码

传输层报头 | 应用层报头 | "你好"

此时：

复制代码

应用层报头 + "你好"

是传输层的有效载荷。

而整个：

复制代码

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：

复制代码

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：

复制代码

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：

复制代码

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：

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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：

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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：

复制代码

传输层报头 | 应用层报头 | "你好"

<4>. 传输层解包

传输层收到：

复制代码

传输层报头 | 应用层报头 | "你好"

处理完成后，去掉传输层报头：

复制代码

应用层报头 | "你好"

<5>. 应用层解析数据

应用程序收到：

复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

cpp 复制代码

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：

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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：

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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：

复制代码

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：

复制代码

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：

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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：

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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：

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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：

复制代码

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：