你不知道的数据包旅行😄😄😄

FM96
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数据包旅行（packet Traveling）

网络的两种模型： TCP/IP 模型、OSI模型

概念 客户端是发起请求的实体，服务器是接收请求的实体， 网络只是两个或多个连接的设备连接起来

TCP/IP 模型与 OSI 模型的对比

packetModel.jpeg

OSI 模型：

  • 第一层物理层： 在两个节点之间携带 1 和 0 的任何东西，网线、中继器、wifi

  • 第二层数据链路层：将这些 1 和 0 组合成称为帧的块。存在一个寻址系统，称为媒体访问控制地址或 MAC 地址。MAC 地址唯一标识每个单独的 NIC（网卡）。每个网卡都由制造商预先配置了一个MAC地址；事实上，它有时被称为刻录地址 (BIA)。将数据包从一个 NIC 传递到另一个 NIC（将数据包从一跳传递到另一跳。）

  • 第三层网络层：负责端到端的数据包传递。使用 IP 地址（ Internet 协议地址）的寻址方案，主要设备有路由器，主要作用促进网络间的通信。

  • 第四层传输层：负责区分网络流，使用称为端口号的寻址方案

  • 第五、六、七层：会话、表示和应用层处理在通过网络传输的数据（由第 1-4 层促进）显示给最终用户之前的最后步骤。

OSI 第2、3层

  • 第 2 层使用 MAC 地址并负责从一跳到另一跳的数据包传递。
  • 第 3 层使用 IP 地址 ，负责端到端的数据包传送。

IP 标头：包括源 IP 地址和目标 IP 地址 MAC 地址标头：包括源 MAC 地址和目标 MAC 地址

在每个路由器之间，MAC 地址标头被剥离并重新生成以使其到达下一跳。第一台计算机生成的 IP 报头仅被最后一台计算机剥离，因此 IP 报头处理“端到端”传递，而动画中涉及的四个 不同MAC 报头中的每一个都处理“跳到跳”传递.

packetMove.gif

概括

OSI 各层的主要目的

  • OSI 第1层是通过网络传输 1和 0 的物理介质
  • OSI 第2层负责 跳到跳交付并使用MAC 地址
  • OSI 第3层负责端到端交付并使用IP 地址
  • OSI 第4层 负责 服务到服务的交付并使用端口号

传递数据包的参与者

  • 交换机促进网络 内的 通信并在第2层运行
  • 路由器促进网络 之间 的通信并在第3层运行
  • ARP 使用已知IP地址解析未知MAC地址

存储的表

  • 交换机使用 MAC 地址表，该表是交换机端口到连接的MAC地址的映射
  • 路由器使用路由表，它是已知网络到接口或下一跳地址的映射
  • 所有 L3 设备都使用ARP 表，该表是IP 地址到MAC 地址的映射

地址解析协议（ARP）

  • ARP 通过 IP 地址，获取 MAC 地址，并且将获取的结果存储到 ARP 表中，该表是 IP 地址--MAC 地址的映射。 ARP 表是“按需”填充的。 ARP 的作用是帮助客户端根据 L3 标头创建正确的 L2 标头，以便将数据包从一跳传递到下一跳。 ARP 表:

arpTable.png

ARP 请求示例：

packetArp.png

  • 当客户端试图与同一网络中的主机通话时，客户端将发出主机 MAC 地址的 ARP 请求。

    第二层的标头：

arpPaket1.png

  • 当客户端尝试与外部网络中的主机通话时，客户端将发出默认网关 MAC 地址的 ARP 请求。

    第二层的标头：

arpPaket2.png

  • ARP 的操作 当客户端与 同一网络中的主机通话时，它将针对主机的 MAC 地址进行 ARP 当客户端与 不同网络中的主机通话时，它将针对默认网关的 MAC 地址进行 ARP

  • 注意 任何打算基于 IP 地址 (L3) 转发数据包的设备也必须具有将数据包传递到下一跳 (L2) 的能力。因此，任何使用 IP 地址的设备也必须使用 ARP 来使用 MAC 地址传送数据包。因此，所有第 3 层设备都必须维护一个 ARP 表。

主机间通信

两个主机直接连接

  • 主机 A 向主机 B 发送请求 atobArp.png 主机是 L3 设备，有 ARP 表初始为空，发送请求需要构造 L3 L2 标头，构造 L2 标头，发送 ARP 请求，ARP 请求作为广播发送（ARP 请求是一个单独的数据包，本质上是询问：“如果有人使用 IP 10.10.10.20，请将您的 MAC 地址发送给我。“），主机收到请求，发送 ARP 响应作为单播消息，并添加主机 IP-MAC 地址存储到 ARP 表中

通过交换机连接主机

  • 主机 A 向主机 B 发送请求 transAToB.gif 交换机是 L3 设备，ARP 表初始为空，发送 ARP 请求，交换机泛洪获取 MAC 地址，主机 B 将IP-MAC 地址存储到 ARP 表中，主机 A 获取到 MAC 地址，构造请求发起请求。

交换机

  • 主要目的是促进网络内的通信，通过维护 MAC 地址表（映射插入每个交换机端口的设备的 MAC 地址）运行，MAC 地址表是通过查看任何接收帧的源 MAC地址字段来填充的。 为了转发帧，交换机会查找 MAC 地址表找到目标 MAC 地址使用的端口，如果找不到目标 MAC 地址的端口，就泛洪获取 MAC 地址的端口
  • 功能 （1）学习：创建MAC 地址表，将其每个交换机端口映射到所连接设备的 MAC 地址。

（2）泛洪：交换机不可避免地会在某些时候收到一个帧，该帧的目的地是交换机不知道其位置的 MAC 地址。 在这种情况下，交换机的唯一选择是简单地复制帧并将其发送到所有端口。每个连接设备的 NIC 将接收该帧并查看目标 MAC 地址字段。 如果他们不是预期的接收者，他们只会默默地丢弃帧。当目标设备接收到该帧时，将生成一个响应，该响应在发送到交换机时将允许交换机学习并创建一个 MAC 地址表，将该未知设备映射到其交换机端口。

（3）转发：交换机可以通过三种方法转发帧：

  • 存储和转发。交换机将整个帧（报头+数据）复制到内存缓冲区中，并在转发之前检查帧是否有错误。速度最慢

    • 直通。交换机不存储任何内容，只检查读取目标 MAC 地址和转发帧所需的最低限度。速度快

  • 前两种方法的混合。在转发帧之前，交换机仅检查帧的第一部分（64 字节）。如果发生传输错误，通常会在前 64 个字节内注意到。提供了“足够好”的错误检测，获得了在转发之前避免将整个帧存储在其内存中的速度和效率。

    • 在现代，通过线速交换，这三者之间的速度差异可以忽略不计，并且大多数交换机在存储和转发模式下运行。 （4）过滤：交换机永远不会将帧转发回发送方的同一端口。

（5）广播：广播帧是发给本地网络上每个人的帧。目标 MAC 地址字段填充了一个特殊地址：ffff.ffff.ffff。“全F”地址是专门为广播目的而保留的。由于地址 ffff.ffff.ffff 被保留，交换机无法为其学习 MAC 地址表映射。因此，任何发往该 MAC 地址的帧将始终被泛洪。

路由器

  • 主要目的是促进网络之间的通信，维护路由表运行，路由表是包含路由器知道如何到达的所有网络的路径的表。

  • 路由自学习: 直连路由，静态路由，动态路由

  • 从每个路由器的角度来看， 路由表是存在的每个网络的映射。因此，当路由器接收到发往不在其路由表中的网络的数据包时，该数据包将被丢弃。

  • 功能 （1）填充和维护路由表、ARP 表

routeTable.png

（2）填充路由

  • 直连路由：当路由器接口配置了特定的 IP 地址时，路由器将知道它直接连接到的网络。

  • 静态路由：静态路由是由管理员手动配置的路由。

  • 动态路由：路由器自动检测并相互交谈，以告知对方他们的已知路由。有多种协议可用于动态路由，每种协议代表不同的策略

（3）如果路由器接收到一个不在路由表中的网络中的数据包，那么就该路由器而言，该网络一定不存在。

数据包的封装与解封装

数据在发送时如何从上到下以及在接收时如何从下到上移动。

当数据从一层传递到另一层时，每一层都会添加完成其目标所需的信息，然后才能将完整的数据报转换为 1 和 0 并通过线路发送。例如：

  • 第 4 层将添加一个 TCP 标头，其中包括源端口和目标端口
  • 第 3 层将添加一个 IP 标头，其中包括源 IP 地址和目标 IP 地址
  • 第 2 层将添加一个以太网报头，其中包括源 MAC 地址和目标 MAC 地址

解封装时反向剥离以太网报头、IP 标头、TCP 标头

packetEncode.gif

数据包的传递

  • 网络拓扑图如下： packetRouter.png

为了简单方便，以下 MAC 地址都是四位十六进制简写

  • 1. 主机 A 向主机 B 发送数据 过程： 主机 A 封装数据包并发送到路由器 R1，R1 转发数据包到主机 B，主机 B 接收到数据包并解封装

    主机 A 发数据包到路由器 R1 路由器 R1 是 11.11.11.x 的默认网关，主机 A 的 ARP 表可能已经有了路由器 R1 的记录，如果没有记录，则发送 ARP 请求获取路由器 R1 的 MAC 地址，数据报文如下：

    L3L2
    SRC(源 IP): 11.11.11.17SRC(源 MAC 地址): aaaa
    DST(目标 IP): 22.22.22.88DST(目标 MAC 地址): aa11

    R1 转发数据包到主机 B 路由器 R1 的 ARP 表如果有主机 B 的 MAC 地址（无 MAC 地址则发送 ARP 请求获取），则剥离 L2 标头重新生成新的 L2 标头（MAC 地址负责从这一跳传递到下一跳）。重新生成的数据报文如下：

    L3L2
    SRC(源 IP): 11.11.11.17SRC(源 MAC 地址): bb11
    DST(目标 IP): 22.22.22.88DST(目标 MAC 地址): bbbb

  • 2. 主机 A 向主机 C 发送数据 过程： 主机 A 发数据包到路由器 R1，R1 转发数据包到路由器 R2，R2 转发数据包到主机 C, 主机 C 接收到数据包并解封装

    主机 A 发数据包到路由器 R1 路由器 R1 是 11.11.11.x 的默认网关，主机 A 的 ARP 表可能已经有了路由器 R1 的记录，如果没有记录，则发送 ARP 请求获取路由器 R1 的 MAC 地址，数据报文如下：

    L3L2
    SRC(源 IP): 11.11.11.17SRC(源 MAC 地址): aaaa
    DST(目标 IP): 22.22.22.88DST(目标 MAC 地址): aa11

    R1 转发数据包到路由器 R2 路由器 R1 的 ARP 表如果有路由器 R2 的 MAC 地址（无 MAC 地址则发送 ARP 请求获取），则剥离 L2 标头重新生成新的 L2 标头（MAC 地址负责从这一跳传递到下一跳）。重新生成的数据报文如下：

    L3L2
    SRC(源 IP): 11.11.11.17SRC(源 MAC 地址): bb11
    DST(目标 IP): 22.22.22.88DST(目标 MAC 地址): bb22

    R2 转发数据包到主机 C 路由器 R2 的 ARP 表如果有主机 C 的 MAC 地址（无 MAC 地址则发送 ARP 请求获取），则剥离 L2 标头重新生成新的 L2 标头（MAC 地址负责从这一跳传递到下一跳）。重新生成的数据报文如下：

    L3L2
    SRC(源 IP): 11.11.11.17SRC(源 MAC 地址): cc22
    DST(目标 IP): 22.22.22.88DST(目标 MAC 地址): cccc

本文绝大多数资料来源网上，只是为了自己加深理解才写篇博客整理总结，若是哪里有不足之处请评论区指出。

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