前面小哥跟大家介紹了在Linux平臺(tái)的的UDP和TCP的多線程編程等等，采用的編程模型一般是客戶(hù)端與服務(wù)器模型(C/S模型)。而前面的知識(shí)只是學(xué)習(xí)了一臺(tái)主機(jī)到另外一臺(tái)主機(jī)的通信過(guò)程，或者說(shuō)應(yīng)用程序之間的通信，而實(shí)際報(bào)文是如何通過(guò)交換器或者路由器進(jìn)行傳遞的呢?如上圖所示，是一種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，主機(jī)通過(guò)交換器，再經(jīng)過(guò)路由器等最終可以訪問(wèn)到右側(cè)服務(wù)器。那么從今天小哥就跟大家一步一步講解這中間的一些過(guò)程。當(dāng)然在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，一般不太可能在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中搭建這樣的平臺(tái)，如果你有這樣的條件也是可以的，通過(guò)抓包工具進(jìn)行測(cè)驗(yàn)學(xué)習(xí)。但是更加方便的是使用一些網(wǎng)絡(luò)的仿真工具進(jìn)行測(cè)試、仿真所搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ?，比如常用的PacketTracer工具等。
如下是集線器常用的拓?fù)湫问?
集線器可把多臺(tái)主機(jī)互聯(lián)到同一網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)中，具體集線器是如何工作的，我們以PC1 ping PC2為例講解該過(guò)程，從而解釋集線器的工作內(nèi)容。PC1使用ping命令主要采用ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議向PC2發(fā)送報(bào)文，而ICMP在IP層之上，可以認(rèn)為其也在網(wǎng)絡(luò)層。
那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層的報(bào)文發(fā)往鏈路層，其需要通過(guò)目的主機(jī)IP獲得對(duì)應(yīng)的目的主機(jī)mac地址，而每個(gè)主機(jī)都有自己的一張arp表，即目的IP地址與mac地址映射的表格，在windows的cmd命令欄中可以輸出arp -a進(jìn)行該表的查詢(xún)。在首次通信的過(guò)程中并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的映射數(shù)據(jù)的存在，所以當(dāng)ICMP報(bào)文下發(fā)到鏈路層以后，其在對(duì)應(yīng)的arp表中無(wú)法尋找到目的主機(jī)對(duì)應(yīng)的mac地址。(注意 : ICMP報(bào)文發(fā)請(qǐng)求和應(yīng)答都是單播)為了獲得目的主機(jī)的mac地址，鏈路層會(huì)使用arp協(xié)議(也叫地址解析協(xié)議)進(jìn)行廣播獲得對(duì)應(yīng)的mac地址，目的主機(jī)ip地址相同的主機(jī)會(huì)進(jìn)行單播應(yīng)答，其他主機(jī)會(huì)丟棄，從而更新本主機(jī)的arp表，以便后續(xù)使用。上圖的時(shí)間表示的是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，因?yàn)榛貜?fù)和發(fā)送都需要傳輸時(shí)間；TTL表示生命周期，一把是64或者128，單向每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器其TTL數(shù)值會(huì)減1，如果TTL在傳輸過(guò)程中降為0了就會(huì)被丟棄。
從上面的通信過(guò)程我們可以知道，通過(guò)集線器發(fā)出的數(shù)據(jù)均為轉(zhuǎn)發(fā)到連接在集線器上的其他設(shè)備上。
但需要注意的是:
1、其不是廣播，而僅僅只是一種轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)目的mac并不是8個(gè)FF。
2、集線器其工作在物理層，并且是共享帶寬，如下圖所示:
由于集線器是工作在物理層，幾乎是無(wú)條件轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以每個(gè)設(shè)備會(huì)平分集線器的帶寬，比如40M的帶寬，那么4臺(tái)主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)的帶寬就只有1/4=10M。3、功率放大功能，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸都是會(huì)被衰減的，那么集線器為了更好的轉(zhuǎn)發(fā)，集線器會(huì)使用自身電源來(lái)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而使得更加穩(wěn)定的傳輸。
前面小哥跟大家介紹了一下集線器的工作原理，其大致功能就是在物理層直接轉(zhuǎn)發(fā)所有的數(shù)據(jù)到所連設(shè)備，今天來(lái)看看交換機(jī)。
交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的接法與交換機(jī)類(lèi)似，多臺(tái)主機(jī)連接到一臺(tái)交換機(jī)上從而可以實(shí)現(xiàn)相互之間的信息交互。
但是交換機(jī)與集線器最直觀的不同就是其工作來(lái)鏈路層，相關(guān)報(bào)文數(shù)據(jù)只會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的設(shè)備，而不會(huì)進(jìn)行無(wú)條件轉(zhuǎn)發(fā)。同樣我們還是以之前的ping命令為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹下:當(dāng)PC1 ping PC2的時(shí)候，首次報(bào)文分別是ICMP和ARP報(bào)文，通過(guò)ARP廣播獲得對(duì)應(yīng)目的IP的mac地址填充到自身ARP表中。上圖是不同協(xié)議報(bào)文的大致流向，與前面介紹的集線器不同是PC1和與PC2之間的交互報(bào)文不會(huì)再經(jīng)過(guò)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到無(wú)關(guān)的PC3和PC4。就好像交換器知道對(duì)應(yīng)主機(jī)的mac地址，然后進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別轉(zhuǎn)發(fā)，這也是說(shuō)為什么交換器工作在鏈路層的原因，所以也叫二層交換機(jī)(二層為鏈路層)，當(dāng)然還有一些交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)層中增加了新的功能，比如三層交換機(jī)(具有網(wǎng)絡(luò)層的相應(yīng)功能，如VLAN虛擬局域網(wǎng)劃分)、四層交換機(jī)(具有傳輸層的相應(yīng)功能，如端口映射功能)
交換機(jī)主要工作在鏈路層，原因是其在主機(jī)通信的過(guò)程中會(huì)記錄通信過(guò)程中的相應(yīng)信息，比如mac地址等。當(dāng)下一次主機(jī)有數(shù)據(jù)需要外發(fā)，那么交換機(jī)會(huì)識(shí)別報(bào)文的目的地址根據(jù)之前所記錄的信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接端口的轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)然如果是廣播幀交換機(jī)也會(huì)廣播到所有的端口，一種類(lèi)似于自動(dòng)適應(yīng)、學(xué)習(xí)的機(jī)制。所以交換機(jī)其網(wǎng)絡(luò)帶寬幾乎不再是共享了，除非交換機(jī)處理能力有限。
前面小哥跟大家介紹了一下集線器和交換機(jī)的工作原理，今天該帶來(lái)大家非常熟悉的路由器了，熟悉歸熟悉，路由器在網(wǎng)絡(luò)中到底是怎樣工作的，估計(jì)還有一些朋友不是特別了解的。
集線器和交換機(jī)大部分都只能工作在同一網(wǎng)段，如何從一個(gè)網(wǎng)段訪問(wèn)到另外一個(gè)網(wǎng)段呢？這個(gè)時(shí)候就需要使用到我們的路由器。
路由器也叫做網(wǎng)關(guān)設(shè)備(Gateway),它是不同網(wǎng)段通信的橋梁。
上圖源于網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)參考，侵刪
如上圖所示應(yīng)該是大家非常熟悉的示意圖了，目前大部分的路由器都是路由器+交換機(jī)的模式，WLAN口用于接外網(wǎng)，LAN口連接到當(dāng)前局域網(wǎng)，一般LAN口有多個(gè)，為了滿(mǎn)足用戶(hù)可以多臺(tái)主機(jī)設(shè)備鏈接到當(dāng)前局域網(wǎng)。
值得注意的是路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)IP地址來(lái)識(shí)別網(wǎng)段進(jìn)行處理。
一個(gè)網(wǎng)段連接到路由器上的位置，我們稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)，訪問(wèn)其他網(wǎng)段的主機(jī)就必須要通過(guò)這個(gè)網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，你可以把路由器上的網(wǎng)關(guān)看成是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的主機(jī)，它也有其IP地址，一般我們?cè)O(shè)置為該網(wǎng)段常規(guī)IP地址的最大值或者最小值(如掩碼為255.255.255.0則一般選192.168.1.254或者192.168.1.1)。
比如在windows中的網(wǎng)關(guān)配置：
路由器其實(shí)內(nèi)部存在多塊網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)可以看成從一張網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)到另外一張網(wǎng)卡并進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)一臺(tái)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其他網(wǎng)段的主機(jī)或者服務(wù)器，首先網(wǎng)絡(luò)層判斷是否是本局域網(wǎng)網(wǎng)段IP，如果不是，就把數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)。當(dāng)數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)層發(fā)往鏈路層，在鏈路層中首先查找本機(jī)的arp表中是否存在網(wǎng)關(guān)的mac地址，如果沒(méi)有找到網(wǎng)關(guān)的mac地址，就會(huì)使用arp協(xié)議廣播數(shù)據(jù)從而獲得網(wǎng)關(guān)的mac地址并更新ARP表，然后把所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，其中網(wǎng)關(guān)的mac地址作為目的mac地址進(jìn)行發(fā)送。這里我們以PC1向另外一個(gè)網(wǎng)段中的PC5發(fā)送報(bào)文，數(shù)據(jù)到達(dá)鏈路層以后會(huì)判斷不是當(dāng)前網(wǎng)段IP，所以會(huì)封裝網(wǎng)關(guān)的mac地址，從而發(fā)到對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)，也就是上圖中的192.168.1.3的網(wǎng)卡，那么路由器接收到該數(shù)據(jù)以后該如何轉(zhuǎn)發(fā)呢？路由器首先會(huì)判斷報(bào)文的目的IP是否在該路由器所擁有的網(wǎng)關(guān)接口處于同一網(wǎng)段，如果有則直接轉(zhuǎn)發(fā)，所以PC1所發(fā)的報(bào)文路由器會(huì)直接轉(zhuǎn)發(fā)給PC5。那如果PC1發(fā)送報(bào)文給PC4，對(duì)于路由器該如何處理呢?同樣與前面的的PC1訪問(wèn)PC5類(lèi)似，路由器1通過(guò)接收到的目的IP查找是否有接口的網(wǎng)段匹配，如果找不到就通過(guò)查找路由器中的路由表(類(lèi)似于路標(biāo))根據(jù)目的IP網(wǎng)段找到所要轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)接口即下一跳地址(Next Hop)，此時(shí)報(bào)文的目的mac地址為下一跳的地址，而源地址為當(dāng)前接口的mac地址，如果在下一個(gè)路由器還沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)段，路由器會(huì)重復(fù)上面的過(guò)程根據(jù)路由表繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。同樣當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文從PC4應(yīng)答PC1相應(yīng)的路由器2也會(huì)在路由表中存在相應(yīng)網(wǎng)段對(duì)應(yīng)的下一跳轉(zhuǎn)發(fā)。值得注意的是 ： 在不同的網(wǎng)段中報(bào)文中的IP地址是不會(huì)發(fā)生變化的，也就是目的IP和源IP不會(huì)發(fā)生改變，只是對(duì)應(yīng)的MAC地址發(fā)生變化。前面小哥跟大家說(shuō)過(guò)路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層，IP表示著對(duì)應(yīng)的主機(jī)，一旦變化則無(wú)法再識(shí)別，而mac地址只是標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的物理通信硬件，所以不同網(wǎng)段的報(bào)文發(fā)送需要經(jīng)過(guò)不同的設(shè)備，自然就需要改變報(bào)文中的mac地址來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。所以當(dāng)你要在不同網(wǎng)段訪問(wèn)其他主機(jī)或者設(shè)備就需要中間加入路由器。 小哥文章寫(xiě)得淺顯易懂，大家可以關(guān)注學(xué)習(xí)~
