网络传输：网卡、IP、网关、子网掩码、MAC、ARP、路由器、NAT、交换机

server/2024/11/24 3:00:32/

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  • 路由器
    • NAT
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网卡

网卡(Network Interface Card，简称NIC)，也称网络适配器。
OSI模型：

1、网卡工作在OSI模型的最后两层，物理层和数据链路层。物理层的芯片称之为PHY，数据链路层的芯片称之为MAC控制器。
2、物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。
3、数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。

网卡混杂模式：

混杂模式就是接收所有经过网卡的数据包，包括不是发给本机的包，即不验证MAC地址。普通模式下网卡只接收发给本机的包（包括广播包）传递给上层程序，其它的包一律丢弃。

连接方式：PCI总线接MAC总线，MAC通过MII接PHY，PHY通过变压装器接网线。
在这里插入图片描述

网卡接收数据流程：
网卡接收到一个数据包，根据目的MAC地址判断是不是发给自己的，如果不是则将丢弃该数据包。
网卡接收流程

IP

IP(Internet Protocol)，位于OSI模型的网络层。IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。

  • 1、IP地址 = 网络地址 + 主机地址（又称：网络号和主机号）
  • 2、我们把网络号相同的主机称之为本地网络中的主机，网络号不相同的主机称之为远程网络中的主机。
  • 3、本地网络中的主机可以直接相互通信，远程网络中的主机要相互通信必须通过本地网关（Gateway）来传递转发数据。

IP地址主要有A、B、C、D、E五类地址：

  • A类：由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”（网络地址全为0的地址被保留使用）。地址范围是1.0.0.0 到 127.255.255.255，主要分配给大量主机而局域网网络数量较少的大型网络；

  • B类：由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高两位必须是“10”。地址范围是128.0.0.0 到191.255.255.255，一般用于国际性大公司和政府机构；

  • C类：由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。地址范围是192.0.0.0 到223.255.255.255，用于一般小公司校园网研究机构等；

  • D类：第一个字节由“1110”开始。全零(“0．0．0．0”)地址对应于当前主机。全“1”的IP地址(“255．255．255．255”)是当前子网的广播地址。地址范围是224.0.0.0 到 239.255.255.255，又称做广播地址，因此任何第一个字节大于223小于240的IP地址是多点播送地址。

  • E类：由“11110”开始，地址范围是240.0.0.0 到255.255.255.255，暂时保留。

网络地址

计算网络地址就是判断网络中的计算机在不在同一网络，在就能通，不在就不能通，需要借助本地网关的帮助。

将IP地址和子网掩码全部转换为二进制形式，然后二者逐位相与的结果就是网络地址。

IP十进制：192.168.1.1
IP二进制：11000000 10101000 00000001 00000001子网掩码十进制：255.255.255.0
子网掩码二进制：11111111 11111111 11111111 00000000网络地址 = IP & 子网掩码
网络地址二进制：11000000 10101000 00000001 00000000
网络地址十进制：192.168.1.0

主机地址

IP与子网掩码的非的结果相与就是主机地址。

IP十进制：192.168.1.1
IP二进制：11000000 10101000 00000001 00000001子网掩码十进制：255.255.255.0
子网掩码二进制：11111111 11111111 11111111 00000000主机地址 = IP & (~子网掩码)
主机地址二进制：00000000 00000000 00000000 00000001
主机地址十进制：0.0.0.1

子网

为了确定网络区域，分开主机和路由器的每个接口，从而产生了若干个分离的网络岛，这些独立的网络岛叫做子网(subnet)。

子网掩码

子网掩码的表示方法
（1）点分十进制表示法
二进制转换十进制，每8位用点号隔开。

例如：子网掩码二进制11111111.11111111.11111111.00000000，表示为255.255.255.0

（2）CIDR斜线记法
IP地址/n

  • 例1：192.168.1.100/24，其子网掩码表示为255.255.255.0，二进制表示为11111111.11111111.11111111.00000000

  • 例2：172.16.198.12/20，其子网掩码表示为255.255.240.0，二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000

不难发现，例1中共有24个１，例2中共有20个１，所以n是这么来的。运营商ISP常用这样的方法给客户分配IP地址。

注：n为1到32的数字，表示子网掩码中网络号的长度，通过n的个数确定子网的主机数=2(32-n)-2（-2的原因：主机位全为0时表示本网络的网络地址，主机位全为1时表示本网络的广播地址，这是两个特殊地址）。

为什么要使用子网掩码？
子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址。如果两台主机要通信，首先要判断是否处于同一网段，即网络地址是否相同。如果相同，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。

可以这么简单的理解：A主机要与B主机通信，A和B各自的IP地址与A主机的子网掩码进行and运算，看得出的结果：

  • 结果如果相同，则说明这两台主机是处于同一个网段，这样A可以通过ARP广播发现B的MAC地址，B也可以发现A的MAC地址来实现正常通信。
  • 如果结果不同，ARP广播会在本地网关终结，这时候A会把发给B的数据包先发给本地网关，网关再根据B主机的IP地址来查询路由表，再将数据包继续传递转发，最终送达到目的地B。

子网掩码的分类
（1）缺省子网掩码
也叫默认子网掩码，即未划分子网，对应的网络号的位都置 1 ，主机号都置 0 。

未做子网划分的IP地址：网络号＋主机号，则：

  • A类网络缺省子网掩码： 255.0.0.0，用CIDR表示为/8
  • B类网络缺省子网掩码： 255.255.0.0，用CIDR表示为/16
  • C类网络缺省子网掩码： 255.255.255.0，用CIDR表示为/24

（2）自定义子网掩码

将一个网络划分子网后，把原本的主机号位置的一部分给了子网号，余下的才是给了子网的主机号。其形式如下：
做子网划分后的IP地址：网络号＋子网号＋子网主机号，举个例子：

  • 192.168.1.100/25，其子网掩码表示：255.255.255.128，意思就是将192.168.1.0这个网段的主机位的最高1位划分为了子网。

网关

计算机的网关（Gateway）就是到其他网段的出口，也就是路由器接口IP地址。

  • 路由器接口使用的IP地址可以是本网段中任何一个地址，不过通常使用该网段的第一个可用的地址或最后一个可用的地址，这是为了尽可能避免和本网段中的主机地址冲突。

在如下拓扑图示例中，A与B，C与D，都可以直接相互通信（都是属于各自同一网段，不用经过路由器），但是A与C，A与D，B与C，B与D它们之间不属于同一网段，所以它们通信是要经过本地网关，然后路由器根据对方IP地址，在路由表中查找恰好有匹配到对方IP地址的直连路由，于是从另一边网关接口转发出去实现互连。
在这里插入图片描述

默认网关

默认网关地址是主机位除了最后一位全置1后得到的。

假设现有一个ip地址为193.6.7.0/24，根据网络前缀24可知前24位为网络位，后8位为主机位，因此该网络的默认网关地址就是IP地址193.6.7.11111110（加粗的部分为网络位），换算成十进制数即193.6.7.254/24。

一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。一台电脑的默认网关是不可以随随便便指定的，必须正确地指定，否则一台电脑就会将数据包发给不是网关的主机，从而无法与其他网络的主机通信。默认网关的设定有手动设置和自动设置两种方式。

（1）手动设置
手动设置适用于电脑数量比较少、TCP/IP 参数基本不变的情况，比如只有几台到十几台电脑。因为这种方法需要在联入网络的每台电脑上设置“默认网关”，非常费劲，一旦因为迁移等原因导致必须修改默认网关的 IP 地址，就会给网管带来很大的麻烦，所以不推荐使用。

需要特别注意的是：默认网关必须是电脑自己所在的网段中的 IP 地址，而不能填写其他网段中的 IP 地址。

（2）自动设置

自动设置就是利用 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议）服务器来自动给网络中的电脑分配 IP 地址、子网掩码和默认网关 。这样做的好处是一旦网络的默认网关发生了变化时，只要更改了 DHCP 服务器中默认网关的设置，那么网络中所有的电脑均获得了新的默认网关的 IP 地址。这种方法适用于网络规模较大、TCP/IP 参数有可能变动的网络。另外一种自动获得网关的办法是通过安装代理服务器软件（如MS Proxy）的客户端程序来自动获得，其原理和方法和 DHCP 有相似之处。

MAC

MAC地址（Media Access Control Address），网卡硬件地址，用于在网络中唯一标示一个网卡，长度6字节，由IEEE协会分配，网络设备制造商生产时写在硬件内部。

MAC地址由48位二进制数（6个字节）组成，通常表示为6位十六进制数，格式为XX-XX-XX-XX-XX-XX。如：00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，其中前3个字节，16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配，而后3个字节，16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。

ARP

地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP),建立32位IPv4地址与以太网的48位MAC地址之间的映射，位于OSI模型的数据链路层。

ARP映射表记录了IP地址和MAC地址的映射关系。每一台主机和路由器都设有ARP映射表，在实际传输中，通常已知下一跳的目的IP地址，通过查询ARP映射表即可知道对应的MAC地址。

ARP协议结构，总长度28字节。
在这里插入图片描述

  • 硬件类型（Hardware Type）：表示网络类型，常见值为1，表示以太网，2字节。
  • 协议类型（Protocol Type）：表示所使用的协议类型，IPv4的值为0x0800，2字节。
  • 硬件地址长度（Hardware Address Length）：通常为6，表示MAC地址长度为6字节，1字节。
  • 协议地址长度（Protocol Address Length）：通常为4，表示IPv4地址长度为4字节，1字节。
  • 操作码（Opcode）：操作码为1表示ARP请求，操作码为2表示ARP应答，2字节。
  • 发送方硬件地址（Sender Hardware Address）：发送方的MAC地址，6字节。
  • 发送方协议地址（Sender Protocol Address）：发送方的IP地址，4字节。
  • 目标硬件地址（Target Hardware Address）：目标主机的MAC地址，在ARP请求时为空，6字节。
  • 目标协议地址（Target Protocol Address）：目标主机的IP地址，4字节。

ARP映射表建立：

1、初始映射表为空。
2、源主机已知下一跳目的IP地址，想知道下一跳的MAC地址。
3、源主机广播ARP请求，包含源IP、源MAC、目的IP，广播到本地网络所有主机(源主机和目的主机在同一网络)。
4、目的主机收到ARP请求后，检测目的IP地址是否和本机IP一致，不一致则丢弃。
5、如果一致，先把ARP请求中源IP源MAC保存在本机的ARP表；给源主机回复ARP响应，单播，告知源主机自己的MAC地址。
6、如果源主机和目的主机不在同一个网络，通过路由器查找路有表，把目的主机IP转换为下一跳IP，再通过ARP协议，将下一跳的IP转换为对应的MAC。

windows查询arp表

arp -a

linux查询arp表

arp -n

ARP抓包分析

使用Wireshark工具抓取ARP协议的数据包，输入arp过滤，下图截取两条arp包，第一个包是ARP请求包，第二个包是ARP响应包；请求和响应的协议结构一致，部分字段取值不同。
在这里插入图片描述
xiaodu设备发了ARP请求广播，询问192.168.3.135主机的MAC地址，135主机（也就是抓包的主机）回复ARP响应。

展开ARP请求包
在这里插入图片描述
看几个关键点：

  • arp请求包以太头的目的MAC地址，Destination: Broadcast (ff:ff:ff:ff:ff:ff)，在局域网广播。
  • 以太头类型：ARP(0X0806)。
  • Opcode操作码是1，代表ARP请求。
  • Target MAC address，目的MAC为空，希望目标响应的MAC地址。

展开ARP响应包
在这里插入图片描述
关键点：

  • 以太头的目的MAC是ARP请求端xiaodu设备的MAC，不再是广播。
  • Opcode操作码是2，代表ARP响应。
  • 源MAC地址，也就是ARP请求想要获取的MAC地址。

路由器

路由器（Router）是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，路由器工作在网络层，根据目的IP进行数据转发。

具有相同网络地址的IP地址计算机之间可以直接通信，如果想要与其他网段的计算机进行通信，则必须经过路由器转发出去。

当IP数据包到达路由器时，路由器先查看目的IP地址，然后决定是直接发送目的主机还是转发给下一个路由器。

  • WAN（Wide Area Network）接口，是路由器上用于连接到互联网或其他广域网的接口。
  • LAN（Local Area Network）接口，是路由器上用于连接内部网络设备的接口。通过LAN接口连接多个网络设备，形成一个局域网，局域网内设备可以相互通信。

NAT

NAT(Network Address Translation，网络地址转换)，是路由器的重要功能，是解决IP地址不够用的主要手段。

  • 路由器LAN口连接主机，当对外网通信IP数据包到达路由器时，路由器把源IP替换成WAN口IP，如果有多级路由器则逐级替换，最终数据包中的源IP成为一个公网IP,这种技术称为NAT。
  • NAT映射表，当局域网第一次访问外网时，局域网IP和外网IP记录到映射表；当路由器收到外网数据时，根据映射表把数据包目标IP修改为局域网IP并转发到主机。
  • NAT缺点：NAT是一对一的IP转换，不能满足多个局域网IP同时使用一个公网IP访问外网的需求。
    在这里插入图片描述

NAPT

NAPT（Network Address Port Translation），即网络地址端口转换，克服了NAT的缺点，NAPT也被称为“多对一”的NAT。

  • NAPT与NAT的区别在于，NAPT不仅转换IP包中的IP地址，还对IP包中TCP和UDP的Port进行转换。这使得多台局域网主机利用1个NAT公共IP就可以同时和公共网进行通信。
  • 当局域网主机访问外网的IP数据包到达路由器时，NAPT网关会把源IP替换为NAPT的公网IP，同时将源Port转换为NAT动态分配的1个Port，然后转发到公共网。
  • 当公网响应的IP包到达NAPT网关时，NAPT会将IP包的目的IP转换成局域网主机的IP，同时将目的Port转换为局域网主机的Port，然后把IP包转发到局域网。
  • 对于通信双方而言，这种转换是透明的，缺点在于其通信仅限于TCP或UDP。

在路由器将数据包转发到下一个网络时，它会更改源MAC地址为当前接口的MAC地址，并更新目标MAC地址为下一个接口的MAC地址，以确保数据包在不同网络之间正确地转发和传输‌。

也就是说，经过路由器的IP包，MAC、IP、PORT都有可能改变。
在这里插入图片描述

交换机

交换机工作与OSI第二层，数据链路层。
在交换机维护端口与MAC地址映射表，记录了端口下包含主机的MAC地址。端口地址表是交换机上电后自动建立的，保存在RAM中，并且自动维护。

交换机功能：

  • 1、自学习，交换机通过广播等自动学习的方式获取每个端口对应的MAC地址，建立映射表。
  • 2、转发和过滤，当一个数据帧的目的MAC地址在MAC地址表中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。
  • 3、消除回路，当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议（STP）避免回路的产生，同时允许存在后备路径。

自学习流程
在这里插入图片描述

  • 1、假设ABCD4个主机分别接入交换机1324端口上。
  • 2、A向B发送数据帧，从端口1进入交换机，交换机查询映射表，没有查到从哪个端口转发该帧；交换机会把A的MAC地址和端口1写入映射表，并在其他所有端口广播数据帧。
  • 3、C和D收到数据帧直接丢弃，因为目的MAC不匹配；B正确接收数据帧。
  • 4、如果此时B向A发送数据帧，交换机查询映射表发现有A的MAC地址，于是把数据帧从端口1转发给A，不再广播；此时交换机也建立了B的MAC与端口3的映射。

设备通过交换机直连，彼此之间一定要在同一网段，否则必须要用路由器进行转发。因此不同的网段之间才需要路由器转发。


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