面向程序员的网络基本知识 - 网络模型及网络设备

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本系列文章旨在向程序员分享一些网络基本知识,让程序员具备基本的网络常识,以便与网络工程师沟通。本系列文章不会涉及如何配置交换机、路由器等网络设备的内容,所以不适合想考CCNA/HCNA证书的人士。

网络模型及网络设备

网络分层模型

相信所有的程序员都听说过网络分层模型,那我们说说最常提到的OSI参考模型与TCP/IP模型。

很多人常说的7层网络就是指OSI参考模型,其模型一共分为7层,自下而上分别是:物理连接层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表现层、应用层。

而TCP/IP模型可以被认为是对OSI参考模型的简化,其一共有4层,自下而上分别是:网络接入层、网际互联层、传输层、应用层。

下图对这两种模型做了一个比较:

下面简单讲一下2-4层PDU所包含的关键信息(不是所有信息):

  1. L2:Data Link,PDU:Frame,包含:源MAC地址、目标MAC地址
  2. L3:Network,PDU:Packet,包含:源IP地址、目标IP地址
  3. L4:Transport,PDU:Segment,包含:源端口、目标端口

网络设备

用于建网的网络设备一般有交换机(Switch)和路由器(Router)。其中交换机工作在OSI模型第二层,所以也被称为二层设备(L2 Device),路由器工作在OSI模型第三层,所以也称为三层设备(L3 Device)。

交换机

回顾上图,L2有一个用途是MAC Addressing,所谓MAC Addressing即MAC寻地,每一块网卡(NIC)都有一个MAC地址,比如在Linux运行ifconfig能够看到NIC的MAC地址,注意看下面的HWaddr:

ens33     Link encap:Ethernet  HWaddr 00:0b:29:2b:25:10
          inet addr:192.168.1.246  Bcast:192.168.1.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::20c:29ff:fe2b:2510/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:5253258 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:6680389 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:2384306523 (2.3 GB)  TX bytes:9150388800 (9.1 GB)

MAC地址是网卡的物理地址,该地址理论上是全世界唯一的,不过现实生活中只需要保证在同一个LAN(局域网,或称二层网络)中唯一即可。

交换机是一个工作在L2的设备,即它是依靠MAC地址来使处于同一个LAN中的两个NIC相互通信的。

交换机是一个有很多端口(Port)的设备,每个NIC通过网线连接到其中的一个端口,比如PC-1(假设只有一个网卡)连接在Port-1、PC-2(假设只有一个网卡)连接在Port-2。交换机内部会维护一张“MAC地址表”,它存储来MAC地址->Port的对应关系。

交换机在某个端口收到数据后,会查看Frame(上图中Data Link层的PDU)中的目的地MAC地址,然后根据“MAC地址表”找到对应端口,然后将数据转发到这个端口。

但是我们在现实生活中从来没有使用MAC地址来通信对不对?我们都是使用IP来通信的,比如:ping 192.168.1.20。这是因为操作系统会使用ARP协议来获知192.168.1.20的MAC地址,而交换机在此过程中会学习到这个信息,并且记录到“MAC地址表”中(具体过程本文不做详述)。

关于ARP协议、以及交换机的其他功能细节本文不做详述,读者朋友只需知道交换机是一个二层设备,它维护了一张“MAC地址表”并运用此表让处于同一个二层网络的两个网卡通信就可以了。

路由器

交换机只能让处于同一个二层网络的两个网卡进行通信,如何让处于不同二层网络的设备是通信呢?

答案是使用路由器(Router),路由器是一个三层设备(L3 Device),它的作用是将两个二层网络连接起来,使其能够互相通信。

下图是一个将两个二层网络连接起来的例子:

在这张图中可以看到有两个子网——192.168.1.0/24和192.168.2.0/24(如果你不知道这是什么,不要紧张,我们会在子网分割章节详细讲解),它们是两个独立的二层网络。路由器1有两个端口,一个端口连接在交换机1上,IP是192.168.1.1;另一个端口连接在交换机2上,IP是192.168.2.1。

当PC1要和PC3通信的时候,比如ping 192.168.2.10,它会发现PC3和自己不在同一个子网中(究竟是如何知道的你现在不用关心,我们会在子网分割章节中详细讲解),那它数据交给路由器1,路由器1它会读取Packet(Network层的PDU)中的目的地IP地址,发现是192.168.2.10,结合其内部的路由表(关于路由表本文不做讲解)决定将其转发到交换机2,交换机2再转发到PC3.

我们再考虑一个更贴近现实的问题,我们的电脑是如何访问到baidu.com的呢?

实际上当访问baidu.com的时候你的数据是经过多层路由器,最终到达baidu服务器的,如下图:

你也许会问,路由器是一个L3设备,它是通过IP来转发数据的,那它是怎么知道baidu.com的IP地址呢?实际上路由器并不知道baidu.com的IP地址,操作系统在发送请求的时候会将baidu.com转化为IP地址放到Packet中传递给路由器。关于这个我们会在DNS章节中做详细说明。

为何程序不能获得源MAC地址?

实际上这个问题本身存在一个错误的假设,我们已经知道在同一个二层网络中是直接通过MAC地址来通信的,在这种情况下我们是可以获得MAC地址的。但这只是极少的一种情况,因为大部分时候我们都必须经过路由器才能访问网络的。

我们再来看这张图:

在列出详细步骤前先补充一个知识:路由器的每个端口都是一个独立的网卡,有独立的MAC地址。

如果PC1要和PC3通信,其详细步骤是这样的:

  1. PC1发送数据
    1. 封装Packet P,源IP地址:PC1的IP地址,目标IP地址:PC3的IP地址
    2. 封装Frame F1,源MAC地址:PC1的MAC地址,目标MAC地址:路由器1左侧端口的MAC地址,它的载荷是P
  2. 路由器1转发数据
    1. 左侧接口收到数据,提取P,获得目标IP地址
    2. 查找路由表,发现应该将数据转发到右侧端口
    3. 封装Frame F2,源MAC地址:路由器1右侧端口的MAC地址,目标MAC地址:PC3的MAC地址,它的载荷是P
  3. PC3收到数据

所以当PC3收到数据的时候,它收到的Frame已经不是PC1当初发出的Frame了,但是Packet还是PC1发出的Frame。因此PC3是不可能获取PC1的MAC地址的,它能收到的只是路由器1右侧端口的MAC地址。

参考资料

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