Network

Network review

Fundamental

TCP/IP Architecture

Application layer

Transimission layer

Network layer

Network Interface layer

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What happens after input the url address?

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  1. The browser will resolve the URL

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当没有路径名时,就代表访问根目录下事先设置的默认文件,也就是 /index.html 或者 /default.html 这些文件,这样就不会发生混乱了。

  1. 生成http请求消息

URL 进行解析之后,浏览器确定了 Web 服务器和文件名,接下来就是根据这些信息来生成 HTTP 请求消息了。

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  1. DNS 查询

通过浏览器解析 URL 并生成 HTTP 消息后,需要委托操作系统将消息发送给 Web 服务器。

但在发送之前,还有一项工作需要完成,那就是查询服务器域名对应的 IP 地址,因为委托操作系统发送消息时,必须提供通信对象的 IP 地址。

域名的层级关系

DNS 中的域名都是用句点来分隔的,比如 www.server.com,这里的句点代表了不同层次之间的界限

在域名中,越靠右的位置表示其层级越高

实际上域名最后还有一个点,比如 www.server.com.,这个最后的一个点代表根域名

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根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。

这样一来,任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此,客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器,就可以通过它找到根域 DNS 服务器,然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器。

域名解析的工作流程

  1. 客户端首先会发出一个 DNS 请求,问 www.server.com 的 IP 是啥,并发给本地 DNS 服务器(也就是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址)。
  2. 本地域名服务器收到客户端的请求后,如果缓存里的表格能找到 www.server.com,则它直接返回 IP 地址。如果没有,本地 DNS 会去问它的根域名服务器:“老大, 能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗?” 根域名服务器是最高层次的,它不直接用于域名解析,但能指明一条道路。
  3. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后,发现后置是 .com,说:“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”,我给你 .com 顶级域名服务器地址给你,你去问问它吧。”
  4. 本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后,发起请求问“老二, 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗?”
  5. 顶级域名服务器说:“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址,你去问它应该能问到”。
  6. 本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器:“老三,www.server.com对应的IP是啥呀?” server.com 的权威 DNS 服务器,它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢?就是我的域名我做主。
  7. 权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
  8. 本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端,客户端和目标建立连接。

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当然有缓存的存在,

浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,就去问操作系统,操作系统也会去看自己的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,再去 hosts 文件看,也没有,才会去问「本地 DNS 服务器」。

数据包表示:“DNS 老大哥厉害呀,找到了目的地了!我还是很迷茫呀,我要发出去,接下来我需要谁的帮助呢?”

  1. Stack protocol

浏览器会先看自身有没有对这个域名的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,就去问操作系统,操作系统也会去看自己的缓存,如果有,就直接返回,如果没有,再去 hosts 文件看,也没有,才会去问「本地 DNS 服务器」。

数据包表示:“DNS 老大哥厉害呀,找到了目的地了!我还是很迷茫呀,我要发出去,接下来我需要谁的帮助呢?”

TCP

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首先,源端口号目标端口号是不可少的,如果没有这两个端口号,数据就不知道应该发给哪个应用。

接下来有包的号,这个是为了解决包乱序的问题。

还有应该有的是确认号,目的是确认发出去对方是否有收到。如果没有收到就应该重新发送,直到送达,这个是为了解决丢包的问题。

接下来还有一些状态位。例如 SYN 是发起一个连接,ACK 是回复,RST 是重新连接,FIN 是结束连接等。TCP 是面向连接的,因而双方要维护连接的状态,这些带状态位的包的发送,会引起双方的状态变更。

还有一个重要的就是窗口大小。TCP 要做流量控制,通信双方各声明一个窗口(缓存大小),标识自己当前能够的处理能力,别发送的太快,撑死我,也别发的太慢,饿死我。

除了做流量控制以外,TCP还会做拥塞控制,对于真正的通路堵车不堵车,它无能为力,唯一能做的就是控制自己,也即控制发送的速度。不能改变世界,就改变自己嘛。

TCP 传输数据之前,要先三次握手建立连接

在 HTTP 传输数据之前,首先需要 TCP 建立连接,TCP 连接的建立,通常称为三次握手

这个所谓的「连接」,只是双方计算机里维护一个状态机,在连接建立的过程中,双方的状态变化时序图就像这样。

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  • 一开始,客户端和服务端都处于 CLOSED 状态。先是服务端主动监听某个端口,处于 LISTEN 状态。
  • 然后客户端主动发起连接 SYN,之后处于 SYN-SENT 状态。
  • 服务端收到发起的连接,返回 SYN,并且 ACK 客户端的 SYN,之后处于 SYN-RCVD 状态。
  • 客户端收到服务端发送的 SYNACK 之后,发送对 SYN 确认的 ACK,之后处于 ESTABLISHED 状态,因为它一发一收成功了。
  • 服务端收到 ACKACK 之后,处于 ESTABLISHED 状态,因为它也一发一收了。

如何查看 TCP 的连接状态?

TCP 的连接状态查看,在 Linux 可以通过 netstat -napt 命令查看。

IP

IP 包头格式

在 IP 协议里面需要有源地址 IP目标地址 IP

  • 源地址IP,即是客户端输出的 IP 地址;
  • 目标地址,即通过 DNS 域名解析得到的 Web 服务器 IP。

因为 HTTP 是经过 TCP 传输的,所以在 IP 包头的协议号,要填写为 06(十六进制),表示协议为 TCP。

假设客户端有多个网卡,就会有多个 IP 地址,那 IP 头部的源地址应该选择哪个 IP 呢?

当存在多个网卡时,在填写源地址 IP 时,就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块网卡中判断应该使用哪个一块网卡来发送包。

这个时候就需要根据路由表规则,来判断哪一个网卡作为源地址 IP。

在 Linux 操作系统,我们可以使用 route -n 命令查看当前系统的路由表。

举个例子,根据上面的路由表,我们假设 Web 服务器的目标地址是 192.168.10.200

路由规则判断

  1. 首先先和第一条目的子网掩码(Genmask)进行 与运算,得到结果为 192.168.10.0,但是第一个条目的 Destination192.168.3.0,两者不一致所以匹配失败。
  2. 再与第二条目的子网掩码进行 与运算,得到的结果为 192.168.10.0,与第二条目的 Destination 192.168.10.0 匹配成功,所以将使用 eth1 网卡的 IP 地址作为 IP 包头的源地址。

那么假设 Web 服务器的目标地址是 10.100.20.100,那么依然依照上面的路由表规则判断,判断后的结果是和第三条目匹配。

第三条目比较特殊,它目标地址和子网掩码都是 0.0.0.0,这表示默认网关,如果其他所有条目都无法匹配,就会自动匹配这一行。并且后续就把包发给路由器,Gateway 即是路由器的 IP 地址。

MAC

MAC 头部是以太网使用的头部,它包含了接收方和发送方的 MAC 地址等信息。

在 MAC 包头里需要发送方 MAC 地址接收方目标 MAC 地址,用于两点之间的传输

一般在 TCP/IP 通信里,MAC 包头的协议类型只使用:

  • 0800 : IP 协议
  • 0806 : ARP 协议

MAC 发送方和接收方如何确认?

发送方的 MAC 地址获取就比较简单了,MAC 地址是在网卡生产时写入到 ROM 里的,只要将这个值读取出来写入到 MAC 头部就可以了。

接收方的 MAC 地址就有点复杂了,只要告诉以太网对方的 MAC 的地址,以太网就会帮我们把包发送过去,那么很显然这里应该填写对方的 MAC 地址。

所以先得搞清楚应该把包发给谁,这个只要查一下路由表就知道了。在路由表中找到相匹配的条目,然后把包发给 Gateway 列中的 IP 地址就可以了。

既然知道要发给谁,按如何获取对方的 MAC 地址呢?

不知道对方 MAC 地址?不知道就喊呗。

此时就需要 ARP 协议帮我们找到路由器的 MAC 地址。

ARP 协议会在以太网中以广播的形式,对以太网所有的设备喊出:“这个 IP 地址是谁的?请把你的 MAC 地址告诉我”。

然后就会有人回答:“这个 IP 地址是我的,我的 MAC 地址是 XXXX”。

如果对方和自己处于同一个子网中,那么通过上面的操作就可以得到对方的 MAC 地址。然后,我们将这个 MAC 地址写入 MAC 头部,MAC 头部就完成了。

好像每次都要广播获取,这不是很麻烦吗?

放心,在后续操作系统会把本次查询结果放到一块叫做 ARP 缓存的内存空间留着以后用,不过缓存的时间就几分钟。

也就是说,在发包时:

  • 先查询 ARP 缓存,如果其中已经保存了对方的 MAC 地址,就不需要发送 ARP 查询,直接使用 ARP 缓存中的地址。
  • 而当 ARP 缓存中不存在对方 MAC 地址时,则发送 ARP 广播查询。

在 Linux 系统中,我们可以使用 arp -a 命令来查看 ARP 缓存的内容。

ARP 缓存内容

MAC 报文生成

至此,网络包的报文如下图。

MAC 层报文

网卡NIC (Network Interface Card)99

Function:

Convert the digital information into electrical signal.

NIC need the help with NIC drive

NIC drive

网卡驱动获取网络包之后,会将其复制到网卡内的缓存区中,接着会在其开头加上报头和起始帧分界符,在末尾加上用于检测错误的帧校验序列

Switch

首先,电信号到达网线接口,交换机里的模块进行接收,接下来交换机里的模块将电信号转换为数字信号。

然后通过packet末尾的 FCS 校验错误,如果没问题则放到缓冲区。这部分操作基本和计算机的网卡相同,但交换机的工作方式和网卡不同。

相对地,交换机的端口不核对接收方 MAC 地址,而是直接接收所有的包并存放到缓冲区中。因此,和网卡不同,交换机的端口不具有 MAC 地址(注意是端口没有)。

将包存入缓冲区后,接下来需要查询一下这个包的接收方 MAC 地址是否已经在交换机的 MAC 地址表中有记录了。(交换机的mac地址表主要有设备的mac地址,然后还有设备与交换机连接的端口号)

Router

网络包经过交换机之后,现在到达了路由器,并在此被转发到下一个路由器或目标设备。

这一步转发的工作原理和交换机类似,也是通过查表判断包转发的目标。

不过在具体的操作过程上,路由器和交换机是有区别的。

  • 因为路由器是基于 IP 设计的,俗称三层网络设备,路由器的各个端口都具有 MAC 地址和 IP 地址;
  • 交换机是基于以太网设计的,俗称二层网络设备,交换机的端口不具有 MAC 地址。

路由器的原理

路由器的端口具有 MAC 地址,因此它就能够成为以太网的发送方和接收方;同时还具有 IP 地址,从这个意义上来说,它和计算机的网卡是一样的。

当转发包时,首先路由器端口会接收发给自己的以太网包,然后路由表查询转发目标,再由相应的端口作为发送方将以太网包发送出去。

路由器的包接收

首先,电信号到达网线接口部分,路由器中的模块会将电信号转成数字信号,然后通过包末尾的 FCS 进行错误校验。

如果没问题则检查 MAC 头部中的接收方 MAC 地址,看看是不是发给自己的包,如果是就放到接收缓冲区中,否则就丢弃这个包。

总的来说,路由器的端口都具有 MAC 地址,只接收与自身地址匹配的包,遇到不匹配的包则直接丢弃。

查询路由表确定输出端口

完成包接收操作之后,路由器就会去掉包开头的 MAC 头部。

MAC 头部的作用就是将包送达路由器,其中的接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址。因此,当包到达路由器之后,MAC 头部的任务就完成了,于是 MAC 头部就会被丢弃

接下来,路由器会根据 MAC 头部后方的 IP 头部中的内容进行包的转发操作。

转发操作分为几个阶段,

首先是查询路由表判断转发目标。(建立路由)

路由器转发

假设地址为 10.10.1.101 的计算机要向地址为 192.168.1.100 的服务器发送一个包,这个包先到达图中的路由器。

判断转发目标的第一步,就是根据包的接收方 IP 地址查询路由表中的目标地址栏,以找到相匹配的记录。

路由匹配和前面讲的一样,每个条目的子网掩码和 192.168.1.100 IP 做 & 与运算后,得到的结果与对应条目的目标地址进行匹配,如果匹配就会作为候选转发目标,如果不匹配就继续与下个条目进行路由匹配。

如第二条目的子网掩码 255.255.255.0192.168.1.100 IP 做 & 与运算后,得到结果是 192.168.1.0 ,这与第二条目的目标地址 192.168.1.0 匹配,该第二条目记录就会被作为转发目标。

实在找不到匹配路由时,就会选择默认路由,路由表中子网掩码为 0.0.0.0 的记录表示「默认路由」。

路由器的发送操作

首先,我们需要根据路由表的网关列判断对方的地址。

  • 如果网关是一个 IP 地址,则这个IP 地址就是我们要转发到的目标地址,还未抵达终点,还需继续需要路由器转发。
  • 如果网关为空,则 IP 头部中的接收方 IP 地址就是要转发到的目标地址,也是就终于找到 IP 包头里的目标地址了,说明已抵达终点

知道对方的 IP 地址之后,接下来需要通过 ARP 协议根据 IP 地址查询 MAC 地址,并将查询的结果作为接收方 MAC 地址。

路由器也有 ARP 缓存,因此首先会在 ARP 缓存中查询,如果找不到则发送 ARP 查询请求。

接下来是发送方 MAC 地址字段,这里填写输出端口的 MAC 地址。还有一个以太类型字段,填写 0800 (十六进制)表示 IP 协议。

网络包完成后,接下来会将其转换成电信号并通过端口发送出去。这一步的工作过程和计算机也是相同的。

发送出去的网络包会通过交换机到达下一个路由器。由于接收方 MAC 地址就是下一个路由器的地址,所以交换机会根据这一地址将包传输到下一个路由器。

接下来,下一个路由器会将包转发给再下一个路由器,经过层层转发之后,网络包就到达了最终的目的地。

不知你发现了没有,在网络包传输的过程中,源 IP 和目标 IP 始终是不会变的,一直变化的是 MAC 地址,因为需要 MAC 地址在以太网内进行两个设备之间的包传输。

OSI(Open System Interconnection Reference Model)

为了使得多种设备能通过网络相互通信,和为了解决各种不同设备在网络互联中的兼容性问题,国际标准化组织制定了开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model),也就是 OSI 网络模型,该模型主要有 7 层,分别是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层。

每一层负责的职能都不同,如下:

  • 应用层,负责给应用程序提供统一的接口;
  • 表示层,负责把数据转换成兼容另一个系统能识别的格式;
  • 会话层,负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话;
  • 传输层,负责端到端的数据传输;
  • 网络层,负责数据的路由、转发、分片;
  • 数据链路层,负责数据的封帧和差错检测,以及 MAC 寻址;
  • 物理层,负责在物理网络中传输数据帧;

由于 OSI 模型实在太复杂,提出的也只是概念理论上的分层,并没有提供具体的实现方案

事实上,我们比较常见,也比较实用的是四层模型,即 TCP/IP 网络模型,Linux 系统正是按照这套网络模型来实现网络协议栈的。

TCP/IP 网络模型共有 4 层,分别是应用层、传输层、网络层和网络接口层,每一层负责的职能如下:

  • 应用层,负责向用户提供一组应用程序,比如 HTTP、DNS、FTP 等;
  • 传输层,负责端到端的通信,比如 TCP、UDP 等;
  • 网络层,负责网络包的封装、分片、路由、转发,比如 IP、ICMP 等;
  • 网络接口层,负责网络包在物理网络中的传输,比如网络包的封帧、 MAC 寻址、差错检测,以及通过网卡传输网络帧等;

MAC 层报文

Linux Network Protocol Stack

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以太网中,规定了最大传输单元(MTU)是 1500 字节,也就是规定了单次传输的最大 IP 包大小。

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