从网络二层到三层 _三层

上下观古今，起伏千万途。这篇文章主要讲述从网络二层到三层相关的知识，希望能为你提供帮助。
?上个笔记我们知道IP地址的诞生，那么机器一旦有了IP，就可以在网络的环境和其他机器进行沟通了如果我们宿舍内俩个人需要通过电脑来玩一个游戏比如cs5，这时候我们就需要建立一个局域网，让俩台
电脑能够连在这个局域网中
1 先来说几个词语解释

全双工：可以同时发送和接收信号
半双工：互相协调，都可以想对方发，但是需要协调
单工：永远只能是一方发一方收

2第一层物理层
如何来构建一个小的局域网(LAN) ？如果是三台电脑呢？

我们可以通过用网线的方式把俩台电脑进行连接上（以前需要用交叉线方式，现在网卡自适应）
Hub集线器：这个设备有多个扣，可以将多个电脑连接，集线器没有大脑，会将收到的每个字节，都复制到其他端口上去（采取的是广播模式）

3 第二层（数据链路层）
由于hub采取的是广播的模式，如果每一台电脑发出的包，宿舍的每个电脑都可以收到，这就比较麻烦需要我们来解决几个问题
3.1 大家都在发，包混乱？谁先发，谁后发？首先这是一个MAC 层（第二层，数据链路层）需要来解决的,??MAC?? 全称 ??Medium Access Contron?? ：媒体访问控制。主要是控制谁先发，谁后发的问题，是通过多路访问协议来实现，通过下面三种方式

信道划分: 每个车一个车道，各走各的
轮流协议: 相当于单双号出行
随机接入协议: 先出门上路，发现堵住了，就回去，然后错过高峰再出来，著名的以太网。用的这个方式

3.2这个包是发给谁的？谁应该接收？解决这个问题就要涉及到第二层的 ??网络包格式?? ，对于以太网第二层的开始就是目标的MAC地址和源的MAC地址

接下来是类型，大部分的类型是 IP 数据包，然后 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等，这都是里层封装的事情。
有了这个目标 MAC 地址，数据包在链路上广播，MAC 的网卡才能发现，这个包是给它的。MAC 的网卡把包收进来，然后打开 IP 包，发现 IP 地址也是自己的，再打开 TCP 包，发现端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是监听 80
于是将请求提交给 nginx，nginx 返回一个网页。然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装，最后到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址，返回的时候，源 MAC 就变成了目标 MAC，再返给请求的机器。
3.3 如果发送的时候出现了错误，怎么办对于以太网，第二层的最后面是 CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误。
3.4 如果不知道MAC地址怎么办？通过??ARP协议?? 就是已知IP地址，求MAC地址的协议
前面我们说过，在一个局域网里面，不知道MAC地址怎么办？基本靠吼，发送一个广播包，谁使这个IP，就谁来回答

为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。
3.5 局域网我们需要一个设备能够记住每个口的电脑MAC ，这样子我能以后在发送包的时候，就可以不用广播，避免了浪费，然后检查一下目标MAC地址，根据策略转发，这个设备是个二层设备，称为交换机 (简单的解释理解)
交换机是有学习功能的，当第一次发送数据包的时候，会记录一个端口和MAC的映射关系,所以等过了一段时间，整个网络的结构就有了，这时候就不需要广播了。。当然，每个机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，因而交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。
4 交换机
4.1 首先说明下交换机和hub的区别

Hub：1.一个广播域，一个冲突域。2.传输数据的过程中易产生冲突，带宽利用率不高交换机：1.在划分vlan的前提下可以实现多个广播域，每个接口都是一个单独的冲突域2.通过自我学习的方法可以构建出CAM表，并基于CAM进行转发数据。3.支持生成树算法。可以构建出物理有环，逻辑无环的网络，网络冗余和数据传输效率都甩Hub好几条街。SW是目前组网的基本设备之一。

4.1 拓扑结构其实就是由多个交换机组织起来的一种结构，当然交换机多的时候，难免会产生环路
就是绕了一圈，从起点又回到起点
4.2 解决常见的环路问题在数据结构中有一个方法叫做??最小生成树?? 有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作??STP??，全称 ??Spanning Tree Protocol??。
在STP协议里面有很多概念

Root Bridge: 根交换机
Designated Bridges: 指定交换机
Bridge Protocal Data Units(BPDU)：网桥协议数据单元
Priority Vector ：优先级向量就是一组 ID 数目

Root Bridge ID
Root Path Cost
Bridge ID and Port ID

4.3 如何解决广播问题和安全问题？如果机器多了交换机多了，也难免会由广播的问题，由于我们在同一个广播域里面，遇到一个会抓包的脚本小子，就能够抓到这些包，然后进行分析，可能会看到敏感信息
我们有俩种办法

物理隔离：每个部门单独一台交换机，如果部门人少，交换机口多了就会照成浪费
虚拟隔离：VLAN虚拟局域网，在一个交换机会连属于多个局域网的机器

那么是怎么区分那个局域网呢？
需要在原来的二层头上加一个TAG 里面由??VLAN ID?? 一共是12位，可以划分??4096个VLAN??
如果在大型云计算平台公司这显然使不够用的，后面就要引入其他的办法来解决。
这时候需要交换机支持VLAN功能，然后有一种接口叫做??Trunk??接口，可以转发任何VLAN的口，交换机之间通过这个口进行连接，从而解决广播问题和安全问题
5 ICMP 协议
??ICMP??: 全称 ??Internet Control Message Protocol??，就是互联网控制报文协议
如果遇到网络不通的时候，就会想到一个命令 ping 一下，
ping 就是基于ICMP 协议工作的
ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令的时候，肯定需要源地址和目标地址。它本身非常简单。因为作为侦查兵，要轻装上阵，不能携带大量的包袱。
ICMP 报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为 8，主动请求的应答为 0
5.1 查询报文类型常用的ping就是查询报文类型，是一种主动请求，并且获取主动应答的ICMP协议
ping 还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。

ping主动请求： ICMP ECHO REQUEST
ping主动请求回复： ICMP ECHO REPLY

比原生ICMP多的俩个字段，就是字面意思

标识符
序号

5.2 差错报文类型报错报文的例子：终点不可达为 3，源抑制为 4，超时为 11，重定向为 5
这个解释根据具体场景很好：
第一种是终点不可达。小兵：报告主公，您让把粮草送到张将军那里，结果没有送到。如果你是主公，你肯定会问，为啥送不到？具体的原因在代码中表示就是
网络不可达代码为 0，主机不可达代码为 1，协议不可达代码为 2，端口不可达代码为 3，需要进行分片但设置了不分片位代码为 4。
具体的场景就像这样：

网络不可达：主公，找不到地方呀？主机不可达：主公，找到地方没这个人呀？
协议不可达：主公，找到地方，找到人，口号没对上，人家天王盖地虎，我说 12345！
端口不可达：主公，找到地方，找到人，对了口号，事儿没对上，我去送粮草，人家说他们在等救兵。
需要进行分片但设置了不分片位：主公，走到一半，山路狭窄，想换小车，但是您的将令，严禁换小车，就没办法送到了

第二种是源站抑制，也就是让源站放慢发送速度。小兵：报告主公，您粮草送的太多了吃不完。
第三种是时间超时，也就是超过网络包的生存时间还是没到。小兵：报告主公，送粮草的人，自己把粮草吃完了，还没找到地方，已经饿死啦。
第四种是路由重定向，也就是让下次发给另一个路由器。小兵：报告主公，上次送粮草的人本来只要走一站地铁，非得从五环绕，下次别这样了啊。
差错报文的结构相对复杂一些。除了前面还是 IP，ICMP 的前 8 字节不变，后面则跟上出错的那个 IP 包的 IP 头和 IP 正文的前 8 个字节。
5.3 ping 查询报文类型的使用假定主机 A 的 IP 地址是 192.168.1.1，主机 B 的 IP 地址是 192.168.1.2，它们都在同一个子网。那当你在主机 A 上运行“ping 192.168.1.2”后，会发生什么呢?
ping 命令执行的时候，源主机首先会构建一个 ICMP 请求数据包，ICMP 数据包内包含多个字段。最重要的是两个，第一个是类型字段，对于请求数据包而言该字段为 8；另外一个是顺序号，主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加 1。为了能够计算往返时间 RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。
然后，由 ICMP 协议将这个数据包连同地址 192.168.1.2 一起交给 IP 层。IP 层将以 192.168.1.2 作为目的地址，本机 IP 地址作为源地址，加上一些其他控制信息，构建一个 IP 数据包。
接下来，需要加入 MAC 头。如果在本节 ARP 映射表中查找出 IP 地址 192.168.1.2 所对应的 MAC 地址，则可以直接使用；如果没有，则需要发送 ARP 协议查询 MAC 地址，获得 MAC 地址后，由数据链路层构建一个数据帧，目的地址是 IP 层传过来的 MAC 地址，源地址则是本机的 MAC 地址；还要附加上一些控制信息，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出去。
主机 B 收到这个数据帧后，先检查它的目的 MAC 地址，并和本机的 MAC 地址对比，如符合，则接收，否则就丢弃。接收后检查该数据帧，将 IP 数据包从帧中提取出来，交给本机的 IP 层。同样，IP 层检查后，将有用的信息提取后交给 ICMP 协议。
主机 B 会构建一个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机 A。
在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达；如果接收到了 ICMP 应答包，则说明目标主机可达。此时，源主机会检查，用当前时刻减去该数据包最初从源主机上发出的时刻，就是 ICMP 数据包的时间延迟。

1.5.4 Traceroute：差错报文类型的使用
所以，Traceroute 的第一个作用就是故意设置特殊的 TTL，，来追踪去往目的地时沿途经过的路由器。Traceroute 的参数指向某个目的 IP 地址，它会发送一个 UDP 的数据包。将 TTL 设置成 1，也就是说一旦遇到一个路由器或者一个关卡，就表示它“牺牲”了。
注意每次经过一个路由器，TTL值就会减1
如果中间的路由器不止一个，当然碰到第一个就“牺牲”。于是，返回一个 ICMP 包，也就是网络差错包，类型是时间超时。那大军前行就带一顿饭，试一试走多远会被饿死，然后找个哨探回来报告，那我就知道大军只带一顿饭能走多远了。
接下来，将 TTL 设置为 2。第一关过了，第二关就“牺牲”了，那我就知道第二关有多远。如此反复，直到到达目的主机。这样，Traceroute 就拿到了所有的路由器 IP。当然，有的路由器压根不会回这个 ICMP。这也是 Traceroute 一个公网的地址，看不到中间路由的原因。
怎么知道 UDP 有没有到达目的主机呢？Traceroute 程序会发送一份 UDP 数据报给目的主机，但它会选择一个不可能的值作为 UDP 端口号（大于 30000）。当该数据报到达时，将使目的主机的 UDP 模块产生一份“端口不可达”错误 ICMP 报文。如果数据报没有到达，则可能是超时。
这就相当于故意派人去西天如来那里去请一本《道德经》，结果人家信佛不信道，消息就会被打出来。被打的消息传回来，你就知道西天是能够到达的。为什么不去取《心经》呢？因为 UDP 是无连接的。也就是说这人一派出去，你就得不到任何音信。你无法区别到底是半路走丢了，还是真的信佛遁入空门了，只有让人家打出来，你才会得到消息。
Traceroute 还有一个作用是故意设置不分片，从而确定路径的 MTU。要做的工作首先是发送分组，并设置“不分片”标志。发送的第一个分组的长度正好与出口 MTU 相等。如果中间遇到窄的关口会被卡住，会发送 ICMP 网络差错包，类型为“需要进行分片但设置了不分片位”。其实，这是人家故意的好吧，每次收到 ICMP“不能分片”差错时就减小分组的长度，直到到达目标主机

6 网关
相当于给网络指一个方向
6.1 网关网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备。啥叫三层设备？前面也说过了，就是把 MAC 头和 IP 头都取下来，然后根据里面的内容，看看接下来把包往哪里转发的设备
6.2 静态路由静态路由是人手工配置上的一条条规则，是单向的，缺乏灵活性
下一跳
是路由器根据路由表将数据转发到下一个端口地址
6.3 跨局域网通信当我们跨局域网通信的时候,比如使一个业务A访问业务B，俩个服务是俩个网段
这时候就需要通过路由器(三层ip)来指路，在路由器上配置一条静态路由指明下一跳地址
然后我们通过静态路由进入业务B的局域网，找到业务B，在这个期间MAC地址是要改变的，但是IP地址不变
6.4 访问公网服务的时候当我们跨局域网访问的时候，是需要做NAT 转换的
很多办公室访问外网的时候，也是被 NAT 过的，因为不可能办公室里面的 IP 也是公网可见的，公网地址实在是太贵了，所以一般就是整个办公室共用一个到两个出口 IP 地址。你可以通过 ??https://www.whatismyip.com/?? 查看自己的出口 IP 地址。
7 路由器
7.1配置路由路由器就是一台网络设备，它有多张网卡。当一个入口的网络包送到路由器时，它会根据一个本地的转发信息库，来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。
一张路由表中会有多条路由规则。每一条规则至少包含这三项信息。

目的网络：这个包想去哪儿？
出口设备：将包从哪个口扔出去？
下一跳网关：下一个路由器的地址。

7.2 配置路由通过 route 命令和 ip route 命令都可以进行查询或者配置。例如，我们设置 ip route add 10.176.48.0/20 via 10.173.32.1 dev eth0，就说明要去 10.176.48.0/20 这个目标网络，要从 eth0 端口出去，经过 10.173.32.1。
7.3策略路由可以配置多个路由表，可以根据源 IP 地址、入口设备、TOS 等选择路由表，然后在路由表中查找路由。这样可以使得来自不同来源的包走不同的路由

ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10 ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20

7.3 动态路由算法网络环境复杂并且多变，如果总是用静态路由，一旦网络结构发生变化，让网络管理员手工修改路由太复杂了，因而需要动态路由算法。
动态路由好处：所以使用动态路由路由器，可以根据路由协议算法生成动态路由表，随网络运行状况的变化而变化
7.3.1距离矢量路由算法第一大类的算法称为??距离矢量路由（distance vector routing）??。它是基于??Bellman-Ford??算法的。
第一个问题：好消息传的快，坏消息传的慢（也就是收敛慢）
如果有个路由器加入了这个网络，它的邻居就能很快发现它，然后将消息广播出去
但是一旦一个路由器挂了，挂的消息是没有广播的。当每个路由器发现原来的道路到不了这个路由器的时候，感觉不到它已经挂了，而是试图通过其他的路径访问，直到试过了所有的路径，才发现这个路由器是真的挂了
第二个问题：每次发送的时候，发送整个全局路由表
网络大了，谁也受不了，所以最早的路由协议 RIP 就是这个算法。它适用于小型网络（小于 15 跳）。当网络规模都小的时候，没有问题。现在一个数据中心内部路由器数目就很多，因而不适用了
7.4.2 链路状态路由算法第二大类算法是??链路状态路由（link state routing）??，基于??Dijkstra??算法。
这种算法的基本思路是：当一个路由器启动的时候，首先是发现邻居，向邻居 say hello，邻居都回复。然后计算和邻居的距离，发送一个 echo，要求马上返回，除以二就是距离。然后将自己和邻居之间的链路状态包广播出去，发送到整个网络的每个路由器。这样每个路由器都能够收到它和邻居之间的关系的信息。因而，每个路由器都能在自己本地构建一个完整的图，然后针对这个图使用 Dijkstra 算法，找到两点之间的最短路径
不像距离距离矢量路由协议那样，更新时发送整个路由表。链路状态路由协议只广播更新的或改变的网络拓扑，这使得更新信息更小，节省了带宽和 CPU 利用率。而且一旦一个路由器挂了，它的邻居都会广播这个消息，可以使得坏消息迅速收敛。
7.5 动态路由协议7.4.1基于链路状态路由算法的 OSPF??OSPF??: Open Shortest Path First，开放式最短路径优先
??IGP??: 内部网关协议主要是在数据中心内部，用于路由决策的
内部网关协议重点就是找到最短的路径，在一个组织内部，路径最短为最优
但有时候ospf 可以发现多个最短路径。可以在多个路径中进行??负载均衡??,这常常被称为
??等价路由??
这里顺便说下一些电商平台前端架构
因为有了等价路由，可以分摊流量，还可以一条路不通的时候，走另外一个条
相当于既有 ??高可用??，还可以??负载均衡?? 这是一个保障公司网络架构稳定的一个好方案
那么一般大型公司前端架构就会采用??lvs + ospf?? 方式来接入网络中，为了抗住大流量
??网卡??还可以做??bond?? 进行流量进行分担
7.4.2基于距离矢量路由算法的 BGP??BGP??: 外网路由协议（Border Gateway Protocol，简称 BGP ）
再网络的世界里面每个公网成为自治系统??AS??（Autonomous System）自治系统分几种类型。

Stub AS: 对外只有一个连接。这类 AS 不会传输其他 AS 的包。例如，个人或者小公司的网络。
MultiHomed AS: 可能有多个连接连到其他的 AS，但是大多拒绝帮其他的 AS 传输包。例如一些大公司的网络。
Transit AS: 有多个连接连到其他的 AS，并且可以帮助其他的 AS 传输包。例如主干网。

每个自治系统都有边界路由器，通过它和外面的世界建立联系。
BGP分为俩类