底層網絡知識詳解：從二層到三層
這個專欄的計算機網絡協議，我是在極客時間上學習 已經有三萬多人購買的劉超老師的趣談網絡協議專欄，講的特別好，像看小說一樣學習到了平時很枯燥的知識點，計算機網絡的書籍太枯燥，感興趣的同學可以去付費購買，絕對物超所值，本文就是對自己學習專欄的總結,評論區可以留下你的問題，咱們一起討論！
我在CSDN寫博客的目的真的不是爲了寫而寫，寫博客的意義一來是方便自己複習，二來是也是想分享知識。我並不會說侵犯 劉超 老師的版權，我也不是照抄，作者的文章內容很精彩，我是記錄自己想學的點，當作一個筆記方便自己複習。大家可能看到這篇文 也會去購買專欄學習，或者看到覺得有一點點用就可以啦！
概述
上一篇文章中對通信網絡協議做了一個綜述，這一篇開始底層網絡知識詳解：從二層到三層 分爲以下五小節去介紹：
- 從物理層到MAC層；
- 交換機與VLAN；
- ICMP和ping；
- 網關；
- 路由協議；
一、從物理層到MAC層
1.1 第一層(物理層)
電腦連接電腦，除了網線交叉，還需要配置這兩臺電腦的IP地址、子網掩碼和默認網關
IP層封裝了MAC層才能放入物理層，兩臺電腦可以通過網線構成一個局域網，LAN
多臺電腦可以通過Hub集線器進行連接。
1.2 第二層(數據鏈路層)
Hub採取的是廣播的模式，無法確定接收者，數據發送混亂沒有先後順序、發送出錯怎麼辦?
MAC層就是要解決這些問題，MAC全稱是Medium Access Control(媒體訪問控制)，其實就是控制數據在媒體上的發送；
多路訪問解決數據發送混亂：
- 信道劃分，例如分爲多車道，每個車一個道；
- 輪流協議，單雙號出行；
- 隨機接入協議，錯峯出行；
爲了解決了媒體接入控制的問題，就要考慮：發給誰，誰接收？這裏用到一個物理地址，叫作鏈路層地址。但是常用於解決流媒體接入控制問題，所以常被稱爲MAC地址。
第二層的網絡包的格式如下圖所示，首先是包含目標MAC地址和源MAC地址，類型是IP數據包，IP裏面封裝了TCP、UDP，以及HTTP；數據包在鏈路上廣播，MAC網卡通過目標MAC地址接收數據包，打開IP包，發現IP地址也是自己的，再打開TCP包，發現端口是自己，也就是80，而nginx就是監聽80端口；
於是將請求提交給nginx，nginx返回一個網頁。然後將網頁需要發回請求的機器。然後層層封裝，最後到MAC層。因爲來的時候有源MAC地址，返回的時候，源MAC就變成了目標MAC，再返給請求的機器。
第二層的後面是CRC,就是循環冗餘檢測，通過XOR異或的算法，來計算整個包在傳輸過程中是否發生了錯誤。
在一個局域網中如果已知IP地址，求MAC地址，可以採用ARP協議；廣播一個IP包，誰是這個IP誰來回答，回答的報文如下，機器會在本地進行ARP緩存來避免每次都用ARP協議，隨着機器的上下線，緩存也會失效。
交換機是一個二層設備，假設一個數據包要從MAC1發送到MAC2，但是交換機不知道在MAC2電腦的哪個口，這個時候會將包發送給所有的口，找到MAC2電腦的接口之後，通過轉發表來記錄下對應的MAC地址，保證下次準確轉發。
當機器的IP地址、端口發生改變，轉發表中的信息也會發生改變。
總結：
第一，MAC地址是用來解決多路訪問的堵車問題；
第二，ARP是通過吼的方式來尋找目標MAC地址，吼完以後，記住一段時間，叫作緩存；
第三，交換機是由MAC地址學習能力的，學完了就知道誰在哪兒了，不用廣播了
二、交換機與VLAN
上文中講了交換機，假如公司越來越大，交換機數目肯定越來越多。交換機之間連接起來，就形成複雜的拓撲結構。這麼多網線，繞過來繞過去，不可避免地會出現一些意料不到的情況，其中常見的問題就是環路問題，如下圖所示：
這就需要採用使用STP協議，解決環路問題：
在數據結構中，有一個方法叫作最小生成樹。有環的我們常稱爲圖。將圖中的環破了，就生成了樹。在計算機網絡中，生成樹的算法叫作STP，全稱**Spanning Tree Protocol。**有環路的圖變成沒有環路的樹，從而解決環路問題。這裏我就不細細描述了，感興趣的同學可以去學習一下！
2.1 如何解決廣播問題和安全問題？
交換機數目多，會面臨廣播問題和安全問題；一大波機器和交換機，就是想一個公司中相關的部門、不相關的部門，大家都在一個會議室開會吵吵鬧鬧的，亂的很，這種廣播問題就會導致性能下降；
有的部門會議內容需要保密，如果都在一個廣播域裏面，碰到了一個會抓包的程序員，就能抓到這些包，如果沒有加密，就能看到這些敏感信息了。就像是大家都在會議室裏七嘴八舌，討論的問題也能被別人聽見嘍，就會導致安全問題。所以，那就要分部門、分會議室。
方法一:物理隔離
在網絡方面，每個部門都有單獨的交換機，配置着單獨的子網，這樣部門間的溝通就需要路由器；但是部門中的人數不固定，就會導致交換機中的接口空閒較多或者不夠用；
方法二：虛擬隔離
常說的VLAN,或者說是虛擬局域網，使用VLAN,一個交換機上就會連着屬於多個局域網的機器。交換機會根據二層頭上的Tag中的VLAN ID，只有相同VLAN的包，纔會互相轉發，不同VLAN的包，是看不到的。
對於支持VLAN的交換機，有一種口叫作Trunk口。它可以轉發屬於任何VLAN的口。交換機之間可以通過這種口相互連接。
三、ICMP和ping
當網絡不通，你連不上另一臺機器的時候，一般都會ping一下，ping是基於ICMP協議工作的；
3.1 ICMP協議的格式
ICMP全稱Internet Control Message Protocol，就是互聯網控制報文協議。
ICMP是封裝在IP包中的，在傳輸指令的時候，需要源地址和目標地址，其格式如下：
ICMP報文有很多的類型，不同的類型有不同的代碼。最常用的類型是主動請求爲8，主動請求的應答爲0。
3.2 ICMP報文類型
查詢報文類型
ping就是查詢報文，是一種主動請求，並且獲得主動應答的ICMP協議；ping發的包符合ICMP協議，只不過在後面增加了自己的格式。
對ping的主動請求，進行網絡抓包，稱爲ICMP ECHO REQUEST,同理主動請求的回覆，稱爲**ICMP ECHO REPLY.**比起原先的ICMP,多了兩個字段，一個是標識符，就像偵察兵，一類是偵察戰況，一類是查找水源，需要採用標識對其進行區分。另一個是序號，ping會存放發送請求的時間值，來計算往返時間，說明路程的長短。
差錯報文類型
ICMP差錯報文的例子：終點不可達爲3，源抑制爲4，超時爲11，重定向爲5
- 終點不可達：網絡不可達、主機不可達、協議不可達、端口不可達、需要進行分片但設置了不分片位；
- 源站抑制：源站放慢發送速度；
- 時間超時：超過網絡包的生存時間還沒送達；
- 路由重新定向：下一次發給另一個路由器；
3.3 ping：查詢報文類型的使用
一起來看一下ping的發送和接收過程：
假定主機A的IP地址是192.168.1.1，主機B的IP地址是192.168.1.2，它們都在同一個子網，當你在主機A上運行“ping 192.168.1.2”後，源主機首先會構建一個ICMP請求數據包，數據包中包含類型字段和順序號；
然後，由ICMP協議將這個數據包連同地址192.168.1.2一起交給IP層，IP層將以192.168.1.2作爲目的地址，本機IP地址作爲源地址，加上一些其他控制信息，構建一個IP數據包。
接下來，需要加入MAC頭，可以通過ARP查詢MAC地址，之後傳送出去；主機B收到這個數據幀後，先檢查它的目的MAC地址，並和本機的MAC地址對比，如符合，則接收，否則就丟棄。接收後檢查該數據幀，將IP數據包從幀中提取出來，交給本機的IP層。同樣，IP層檢查後，將有用的信息提取後交給ICMP協議。
主機B會構建一個 ICMP 應答包，應答數據包的類型字段爲 0，順序號爲接收到的請求數據包中的順序號，然後再發送出去給主機A。在規定的時候間內，源主機如果沒有接到 ICMP 的應答包，則說明目標主機不可達；反之，即不可達。
如果跨網段的話，還會涉及網關的轉發、路由器的轉發等等。
3.4 Traceroute：差錯報文類型的使用
Traceroute的第一個作用:故意設置特殊的TTL,來追蹤去往目的地時沿途經過的路由器
Traceroute的參數指向某個目的地的IP地址，它會發送一個UDP數據包，將TTL設置爲1，也就是說一旦遇到一個路由器或者一個關卡，表示其犧牲了，如此反覆到達目的地址，就獲取到了所有路由器的IP;
Traceroute的第二個作用:故意設置不分片，從而確定路徑的MTU;
發送分組，並設置“不分片”標誌。每次收到ICMP"不能分片"差錯時就會減少分組的長度，直到到達目標主機。
總結：
- ICMP相當於網絡世界的偵察兵,分爲主動探查的查詢報文，一種異常報告的差錯報文；
- ping使用查詢報文，Traceroute 使用差錯報文；
四、網關
在進行網卡配置的時候，除了IP地址，還需要配置一個Gateway的東西，這個就是網關。
一旦配置了IP地址和網關，往往就能夠指定目標地址進行訪問了。由於在跨網關訪問的時候，牽扯到MAC地址和IP地址的變化，這裏有必要詳細描述一下MAC頭和IP頭的細節，如下圖示：
MAC頭裏面，先是目標IP地址，然後是源MAC地址，然後有一個協議類型，說明裏面是IP協議，裏面的版本號主流還是IPv4,TOS代表着數據包的優先級，8位標識協議，指的是到了下一層的協議，是TCP還是UDP,最重要的是源IP和目標IP；
如果是在同一網段，就沒網關啥事，直接將源地址和目標地址放入IP頭中，然後通過ARP獲得MAC地址，將源MAC和目的MAC放入MAC頭中，發出去就可以了。
如果不在同一網段，需要訪問校園網裏面的BBS,這就需要發送給默認的網關Gateway,Gateway的地址一定是和源IP地址是一個網段的。例如：192.168.1.0/24這個網段，Gateway往往會192.168.1.1/24或者192.168.1.2/24.
網關往往是一個路由器，是一個三層轉發的設備；三層設備的含義，就是把MAC頭、IP頭都取下來，根據裏面的內容，看看接下來把包發送到哪的設備。
網關和路由器的關係：這個比喻就是路由器是一臺設備，它有五個網口或者網卡，相當於有五隻手，分別連着五個局域網，每隻手的IP地址都和局域網有相同的網段，每隻手都是它握住的哪個局域網的網關。
靜態路由
靜態路由，其實就是在路由器上配置一條一條規則。
每當要選擇從哪隻手拋出去的時候，就一條一條的匹配規則，找到符合的規則，就按規則中設置的那樣，從某個口拋出去，找下一跳IPX。
IP頭和MAC頭哪些變、哪些不變？
將變與不變的問題分爲兩種類型，一個是“歐洲十國遊”和“玄奘西行”
MAC只在一個局域網內有效，只要過網關，必須要改變，因爲已經換了局域網，兩者主要的區別在於IP地址是否改變。不改變IP地址的網關，稱爲轉發網關；改變IP地址的網關，稱爲NAT網關；
“歐洲十國遊”
每到一個新的局域網，MAC都是要變的，但是IP地址都不變。在ip頭裏面，不會保存任何網關的IP地址。所謂的下一跳是，某個IP要將這個IP地址轉換爲MAC放入MAC頭；
整個過程中，IP頭裏面的地址都是不變的。IP地址在三個局域網都可見，在三個局域網之間的網段都不會衝突。在三個網段之間傳輸包，IP頭不改變。這就像在歐洲各國之間旅遊，一個簽證就能搞定。
“玄奘西行”
局域網之間各定各的網段，導致IP段衝突，如果單從IP地址上看，簡直是自己訪問自己，其實是大唐的192.168.1.101要訪問印度的192.168.1.101；
但其實就像咱們出國一樣，不用國內的身份證，改用護照；
首先，目標服務器B在國際上要有一個國際的身份，我們給它一個192.168.56.2。在網關B上，我們記下來，國際身份192.168.56.2對應國內身份192.168.1.101。凡是要訪問192.168.56.2，都轉成192.168.1.101。於是，源服務器A要訪問目標服務器B，要指定的目標地址爲192.168.56.2。
當網絡包發送到中間的局域網的時候，服務器A也需要有一個國際身份，因此在國際上，源ip地址不能用192.168.1.101，需要改成192.168.56.1；
而中間的路由器用來做NAT(Network Address Translation),用來轉換對應的國際與國內的ip地址，並且配置了對應的靜態路由規則；
現在大家每家都有家用路由器，家裏的網段都是192.168.1.x，所以你肯定訪問不了你鄰居家的這個私網的IP地址的。所以，當我們家裏的包發出去的時候，都被家用路由器NAT成爲了運營商的地址了。
很多辦公室訪問外網的時候，也是被NAT過的，因爲不可能辦公室裏面的IP也是公網可見的，公網地址實在是太貴了，所以一般就是整個辦公室共用一個到兩個出口IP地址。你可以通過 查看出口ip 查看自己的出口IP地址。
總結
- 如果離開局域網，就需要經過網關，網關是路由器的一個網口；
- 路由器是一個三層設備，裏面有如何找下一跳的規則；
- 經過路由器後MAC頭要變，如果IP不變，相當於不換護照的歐洲旅遊，如果IP變，相當於換護照的玄奘西行。
五、路由協議
路由器就是一臺網絡設備，它有多張網卡。當一個入口的網絡包送到路由器時，它會根據一個本地的轉發信息庫，來決定如何正確地轉發流量。這個轉發信息庫通常被稱爲路由表。
路由器會根據路由表去正確的轉發信息，路由表中有多條路由規則，需要根據目的IP地址來配置路由：
- 目的網絡：數據包想去哪？
- 出口設備：將包從哪個口扔出？
- 下一跳網關：下一個路由器的地址；
5.1 如何配置策略路由？
真實複雜的網絡環境中，除了根據目的ip地址配置路由之外，還可以根據多個參數來配置路由，就是策略路由，可以配置多個路由表，根據源ip地址、入口設備、TOS等選擇路由表；
ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20
表示從192.168.1.10/24這個網段來的，使用table 10中的路由表，
而從192.168.2.0/24網段來的，使用table20的路由表
在一條路由規則中，也可以走多條路徑，在下面的路由規則中：
ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2
家裏的網是私有網段，出去的包需要NAT成公網的IP地址，因而路由器是一個NAT路由器;
例如，運營商1給路由器分配的地址是183.134.189.34/32，而運營商網絡裏面的網關是183.134.188.1/32。有的是/30的，也就是分了一個特別小的網段。運營商2給路由器分配的地址是60.190.27.190/30，運營商網絡裏面的網關是60.190.27.189/30。
5.2 動態路由算法
網絡環境簡單的時候，自己可控，可以採用靜態路由，一旦網絡結構發生變化，就需要動態路由算法;
使用動態路由器，可以根據路由協議算法生成動態路由表，類似於唐僧西天取經一樣，轉化爲如何在途中找最短路徑的問題；
1、距離矢量路由算法
算法：每個路由器都會保存一個路由表，包含多行，每行對應一個路由器，每一行包含兩部分信息，一個是要到目標路由器，另一個是到目標路由器的距離；
每個路由器都是知道全局信息的，每個路由器都知道自己和鄰居之間的距離；每個路由器都會根據自己新收集的信息，計算和其他路由器之間的距離。
第一個問題就是好消息傳的快，壞消息傳的慢：壞消息是指，一旦某個路由器掛了不會主動發消息，需要訪問全部路徑才能知道這個路由器掛了；
第二個問題就是每次發送的時候，要發送整個全局路由表：網絡規模大了，這誰頂的住啊；
所以上面的兩個問題，限制了距離矢量路由的網絡規模；
2、鏈路狀態路由算法
鏈路狀態路由(link state routing) 基於Dijkstra算法；
算法：當一個路由器啓動時，首先是發現鄰居，向他們say hello,然後計算和鄰居之間的距離，發送一個echo,馬上返回/2,就是距離；然後將自己和鄰居之間的鏈路狀態包廣播出去，發送到整個網絡的每個路由器，這樣每個路由器都能收到它和鄰居之間的關係的信息，每個路由器都可以在本地構建完整的圖，採用Dijkstra算法找到兩點之間的最短路徑；
5.3 動態路由協議：
1、基於鏈路狀態路由算法的OSPF
OSPF(Open Shortest Path First,開放式最短路徑優先)，廣泛應用於數據中心的協議，主要用於數據中心內部，用於路由決策，因而稱爲內部網關協議(Interior Gateway Protocol，簡稱IGP)
內部網關協議的重點是找到最短的路徑，OSPF可以發現多個最短的路徑，在這多個路徑中進行負載均衡，常常被稱爲等價路由。
2、基於距離矢量路由算法的BGP
外網路由協議(Broder Gateway Protocol,簡稱BGP)
在網絡世界中，可以讓一個國家成爲自治系統AS(Autonomous System),自治系統分爲：
- Stub AS:對外只有一個連接。這類AS不會傳輸其他AS的包。例如，個人或者小公司的網絡
- Multihomed AS:可能有多個連接到其他的AS,但是大多拒絕幫其他的AS傳輸包，例如一些大公司的網絡；
- Transit AS:有多個連接到其他的AS,並且可以幫其他的AS傳輸包，例如：主幹網。
BGP又分爲兩類，eBGP和iBGP。自治系統中，邊界路由器之間使用eBGP廣播路由，內部網絡也需要訪問其他的自治系統。邊界路由器通過運行iBGP,使得內部的路由器能夠找到到達外網目的地最好的邊界路由器。
總結
- 路由分靜態路由和動態路由，靜態路由可以配置複雜的策略路由，控制轉發策略；
- 動態路由分爲兩種主流算法：距離矢量算法和鏈路狀態算法，基於兩種算法產生兩種協議，BGP協議和OSPF協議；