Linux——数据链路层

1. 认识以太网

认知：以太网是用于局域网数据通信的协议标准，定义了同一局域网内通过电缆/无线怎么在设备之间传输数据帧。

注：整个网络世界可以具象看出由许许多多的局域网组成，

•  家庭中的设备A and 家庭中的设备B and 家庭路由器(出入口)

•  家庭A的路由器 and 家庭B的路由器 and 社区路由器(出入口)

•  社区A的路由器 and 社区B的路由器 and 市区路由器(出入口)

•  A省的路由器 and  B省路由器 and 国家路由器(出入口)

•  A国路由器 and B国路由器 and C国路由器.......

路由器构成了每个局域网的出入口

注：把链路层发送的数据叫做数据帧！

•  6位目的地址 and 6位源地址：目的Mac地址 and 源Mac地址

•  类型：上层传递下来有效载荷的协议类型，字段对应 IP、ARP、RARP;

注：0800对应IP，0806对应ARP，0835对应RARP，后续两个稍后再说

问：以太网协议怎么分离报头和有效载荷？

答：报头为固定长度

认知：网络中传输的报文带两个地址，一个是MAC地址一个是IP地址，IP地址决定了下一目的地的Mac地址的选择，IP地址是你的最终目的地，MAC地址是中途的临时地址。

2. 局域网的通信过程

假设同一局域网内，主机A发送报文给主机E，主机A会将报文发送到当前局域网中，所有的主机收到该报文时，会将自己的Mac地址和该条报文的前6位字节进行比较，发现不合符目标Mac地址，于是丢弃，上层意识不到下层已经接受过报文了。主机E发现自己的Mac地址和报文中的目的Mac地址相同，于是开始向上层层交付。

认知：局域网就是一个碰撞域，一次只能发送一个数据帧，如果同时发送多个数据，就会出现碰撞问题，导致数据丢失。因此在局域网通信时，单个数据帧要有下限和上限(46~1500)

注：这个是硬件工程师规定的。

思考：在网络通信的过程中，对于访问者个人而言，他是知道目的主机的IP的，想想socket通信时，我们需要输入对端的IP+端口号才能够访问，所以知道对端的IP对于主机A不是问题，但是！主机A是怎么知道主机E的Mac地址的？

答：ARP协议！

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3. 认识ARP协议

ARP协议属于数据链路层协议之一，他位于网络层协议和以太网协议的中间，结构如图，属于定长协议

以太网首部、以太网源地址、发送端以太网地址、发送端IP地址、目的IP地址 不过多介绍

•  硬件类型：1代表以太网

•  协议类型：0800代表IP协议

•  op：1表示ARP请求，2表示ARP应答

•  目的以太网地址：初始情况下为 FFFFFF

问：前面说了，数据帧的下限为46字节，为什么ARP请求只有28？

答：末尾的PAD用于填充垃圾数据(0or1)，来保证满足数据帧长度的下限，读取的时候不会出问题。

3.1 通过ARP协议如何得知目的IP的Mac地址？

注：假设还是主机A发送报文给主机E

        因为主机A不知道主机E的Mac地址，所以起初他会发送ARP协议数据帧，该帧中将op设置为1，表示为请求ARP，将该数据帧在局域网内广播(对应先前讲的广播IP)，局域网内所有的主机都会收到该条数据帧，并对其进行ARP协议解析，当发现其目的IP地址与当前主机的IP地址不对应时，就丢弃该条报文。

        主机E做解析后 发现 op字段为1 是请求，并且目的IP地址与自己的IP地址对应，并且为请求， 主机E需要做应答处理，将op设置为2，并且此时ARP协议中的目的以太网地址为主机A的地址，源以太网地址为主机E的Mac地址，将该数据帧再次发送到局域网内，非相关的主机仍然收到了这条数据帧，只不过这次因为目的Mac已知，非相关的主机直接丢弃数据帧

        对于主机A，先看op字段为2 表示应答，得到了主机E的Mac地址，后续就可以将带数据的数据帧发给主机E了

细节1：主机都会在一段时间内(分钟级别)，记录下来当前局域网中各个IP对应的Mac地址的映射关系

问：为什么不永久记录下来？

答：IP是变化的，MAC地址换了网口后也是变化的

细节2：相同局域网内的两台主机会通过上述方法得知目标Mac地址，对于不同局域网内的两台主机，通信时，会先通过上述方法，知道当前局域网内路由器的Mac地址，然后发送报文，报文到达了新的路由器时，他得找下一个路由器的Mac地址，就会重复上述过程，直至发给目标主机。目标IP不会变，但是Mac地址一直会变，所以路由器中只需要记录IP地址，可以通过ARP协议的请求与应答去查下一目的地的Mac地址

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4. NAT技术的相关问题

问题：先前讲述了NAT技术的含义，报文从主机A通过公网传到服务器的过程大致理解了，那么服务器的应答怎么通过公网传给主机A？

答：借助NAPT转换表

NAPT转换表：记录 源IP+port/目的IP+端口 和 NAT路由器wan口IP地址 + 端口/目的IP+端口 的映射关系   当外部服务器发送回应时，他的 目的 IP+端口 是NAT路由器的WAN口IP+端口，他会查表做对应替换，更改目标ip+端口、

•  这张表是路由器自己维护的

•  除了ip会替换，必要的时候NAT路由器内的端口号也会替换，为了避免冲突(多个主机访问同一个服务器的时候)

•  私有IP在不同内网中可以重复，同一个内网中不可以重复

•  这张表从内到外，从外到内都是唯一键值对wan口ip+端口是唯一的，多个主机访问同一路由器，wan口ip相同，但是端口是不同的(IP相同不要紧，端口不同就可以)

•  从内往外访问服务器时，途径的每个由路由器都会构建NAPT表，回来的时候就可以做内网穿透

内网穿透：借助NAPT转换表 内网设备能够被外网访问，

认知1：NAT就是这个世界网络的真相

认知2：上述路由表内的键值关系越多，路由器越好也越贵，所以就区分了家用路由器和企业路由器

认知3：外网无法直接到内部，这就是为什么所有的服务器你得必须登录后才能访问，用户得先做些什么，服务器才能够给你回应。用户访问服务器的过程就是在建表的过程。

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5. 正向代理

正向代理：（Forward Proxy）是一种常见的网络代理方式，它位于客户端和目标服务器之间，代表客户端向目标服务器发送请求。正向代理服务器接收客户端的请求，然后将请求转发给目标服务器，最后将目标服务器的响应返回给客户端。通过这种方式，正向代理可以实现多种功能，如提高访问速度、隐藏客户端身份、实施访问控制等

工作原理：

•  客户端将请求发送给正向代理服务器。
•  正向代理服务器接收请求，并根据配置进行处理，如缓存查找、内容过滤等。
•  正向代理服务器将处理后的请求转发给目标服务器。
•  目标服务器处理请求，并将响应返回给正向代理服务器。
•  正向代理服务器将响应返回给客户端。

缓存功能：正向代理服务器可以缓存经常访问的资源，当客户端再次请求这些资
源时，可以直接从缓存中获取，提高访问速度。
•  内容过滤：正向代理可以根据预设的规则对请求或响应进行过滤，如屏蔽广告、
阻止恶意网站等。
•  访问控制：通过正向代理，可以实现对特定网站的访问控制，如限制员工在工作
时间访问娱乐网站。
•  隐藏客户端身份：正向代理可以隐藏客户端的真实 IP 地址，保护客户端的隐私。
•  负载均衡：在多个目标服务器之间分配客户端请求，提高系统的可扩展性和可靠
性。

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6. 反向代理

反向代理：服务器是一种网络架构模式，其作为 Web 服务器的前置服务器，接收
来自客户端的请求，并将这些请求转发给后端服务器，然后将后端服务器的响应返回
给客户端。这种架构模式可以提升网站性能、安全性和可维护性等

基本原理：反向代理服务器位于客户端和 Web 服务器之间，当客户端发起请求时，它首先
会到达反向代理服务器。反向代理服务器会根据配置的规则将请求转发给后端的 Web
服务器，并将 Web 服务器的响应返回给客户端。在这个过程中，客户端并不知道实际
与哪个 Web 服务器进行了交互，它只知道与反向代理服务器进行了通信。

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7. NAT和代理服务器

•  路由器往往都具备 NAT 设备的功能, 通过 NAT 设备进行中转, 完成子网设备和其他子
网设备的通信过程

•  代理服务器看起来和 NAT 设备有一点像. 客户端像代理服务器发送请求, 代理服务器将
请求转发给真正要请求的服务器; 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户
端

问：代理服务器和NAT有何区别？

答：

•  从应用上讲, NAT 设备是网络基础设备之一, 解决的是 IP 不足的问题 、代理服务器则是更贴近具体应用, 比如通过代理服务器进行科学上网, 另外像迅游这样的加速器, 也是使用代理服务器.

•  从底层实现上讲, NAT 是工作在网络层, 直接对 IP 地址进行替换. 代理服务器往往工作在应用层.

•  从使用范围上讲, NAT 一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网

•  从部署位置上看, NAT 一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上.

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8. 内网打洞

内网打洞：是指通过 NAT 穿透 技术，使得 两个内网设备（或一个内网设备和外网设备）之间能够直接通信，而不需要借助中介服务器。内网打洞一般用于 P2P（对等）通信，使得两台设备可以通过直接连接互相通信。

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9. 交换机

交换机：如果一个局域网内的主机数量过多，就需要用到交换机，交换机工作在数据链路层

交换机的核心作用：划分碰撞域

主机A如果想把数据发给主机D，交换机识别到主机A和主机D在一个碰撞域中，就不会做转发，减小另一个碰撞域的碰撞概率。

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10. 回顾TCP/IP网络的四层结构体系

•  应用层：解决 业务处理 ，如Web游浏览、电子邮件、文件传输

回答了我收到报文该怎么处理的问题。

•  传输层：解决 通信可靠性、数据传输的完整性、流量控制 等问题

回答了我该如何将报文有效传给对方的问题。

•  网络层：解决 长距离通信 的问题

回答了我该将报文传给谁的问题。

•  链路层：解决子网内通信 问题

回答了同一局域网内，报文怎么传给对方的问题

网络四层从下到上：怎么传 → 传给谁 → 怎么可靠的传 → 传过去后怎么处理的？

问题：描述一下浏览器从发起http到得到网页的整个过程，越详细越好

答：

①. 解析URL，获得域名、参数、路径、协议

②. 解析域名获得 IP地址 and 端口号

③. connect 发起三次握手请求，该过程不会传输有效载荷，只含报头

注：三次请求的过程中，确定了双方接收缓冲区的大小从而确定了内部滑动窗口的大小，确定了传输层每次发送最大报文的大小

④. 该报文通过网络层做路径选择，根据目的IP确定下一跳IP地址，链路层获得下一跳的Mac地址，将报文路由给下一跳

注：这里涉及了一个网络IP的划分，从公网到内网的一个转换，内网ip是怎么转到公网的，公网ip又是怎么把回应发到内网的(内网发送报文时，会在各个路由器内将源IP和路由器的WAN口ip做转换，转换时会维护一张NAPT表，好做后续的内网穿透,当WAN口IP是公网IP时，不再转换)

⑤. 三次握手成功，客户端发送请求

⑥. 服务端回复相应

⑦. 客户端渲染界面