以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE組織的IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號(hào)和介質(zhì)訪問控制的內(nèi)容。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET。

以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)?#xff0c;但目前的快速以太網(wǎng)（100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)）為了減少?zèng)_突，將能提高的網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率最大化，使用交換機(jī)（Switch hub）來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織。如此一來，以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型；但在邏輯上，以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即載波多重訪問/碰撞偵測(cè)）的總線技術(shù)。

以太網(wǎng)只是組成互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子集，以太網(wǎng)是現(xiàn)在主流的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而互聯(lián)網(wǎng)是指將大量的局域網(wǎng)連接起來，進(jìn)行資源的分享。另外，互聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)是兩個(gè)不同的概念，前者是范圍概念，后者是技術(shù)概念?；ヂ?lián)網(wǎng)（Internet）、廣域網(wǎng)（WAN）、局域網(wǎng)（LAN）可以算作一類，它們都是按照區(qū)域和范圍來分類的。而以太網(wǎng)（Ethernet）、ATM網(wǎng)和FDDI網(wǎng)可以算作一類，它們是按照傳輸技術(shù)分類的。

下面是一個(gè)局域網(wǎng)的示意圖：

• OSI七層模型

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）將整個(gè)以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)制定了?OSI (Open System Interconnection)模型，即開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型，也就是著名的7層網(wǎng)絡(luò)模型。其示意圖如下：

OSI7層模型只是個(gè)理想模型，相當(dāng)于開發(fā)商提供的參考設(shè)計(jì)，它并不是強(qiáng)制規(guī)范，一般的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只涉及其中幾層就可以完成通信。以最常見的TCP/IP協(xié)議為例，它就只分為了4層或者5層。4層和5層的差異在于，是否將最底層的兩層合并了。

1. 第一層與第二層

以太網(wǎng)在第 1 層上涉及信號(hào)、在介質(zhì)中傳輸?shù)谋忍亓?、將信?hào)放到介質(zhì)上的物理組件以及各種拓?fù)?#xff0c;它在設(shè)備之間的通信中扮演主要角色。

數(shù)據(jù)鏈路子層極大地促進(jìn)了技術(shù)兼容性和計(jì)算機(jī)通信。

（1）MAC 子層負(fù)責(zé)將要用于傳送信息的物理組件，并且準(zhǔn)備通過介質(zhì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
（2）邏輯鏈路控制 (LLC) 子層保持通信過程所用物理設(shè)備的相對(duì)獨(dú)立性。

LLC 子層獲取網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)（通常是IPv4 數(shù)據(jù)包）并加入控制信息，幫助將數(shù)據(jù)包傳送到目的節(jié)點(diǎn)。第 2 層通過 LLC 與上層通信。

邏輯鏈路控制（LLC）

1.建立與上層的連接

2.將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包封裝成幀

3.標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

4.保持物理設(shè)備的相對(duì)獨(dú)立性

MAC——獲取到介質(zhì)的數(shù)據(jù)

介質(zhì)訪問控制 (MAC) 是數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)子層的下半層，由硬件（NIC）實(shí)現(xiàn)
以太網(wǎng) MAC 子層主要有兩項(xiàng)職責(zé)
（1）數(shù)據(jù)封裝
（2）介質(zhì)訪問控制

數(shù)據(jù)封裝：幀定界、編址、錯(cuò)誤檢測(cè)

介質(zhì)訪問控制：對(duì)于將幀放入介質(zhì)中和從介質(zhì)中取下幀實(shí)施控制、介質(zhì)恢復(fù)

1. 其它層

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層通過 IP 尋址來建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接，為源端的運(yùn)輸層送來的組，選擇合適的路由和交換節(jié)點(diǎn)，正確無誤地按照地址傳送給目的端的傳輸層，就是我們常說的 IP 層。

傳輸層：傳輸層的作用是為上層協(xié)議提供端到端的可靠和透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，包括處理差錯(cuò)控制和流量控制等問題。該層向高層屏蔽了下層數(shù)據(jù)通信的細(xì)節(jié)，使高層用戶看到的只是在兩個(gè)傳輸實(shí)體間的一條主機(jī)到主機(jī)的、可由用戶控制和設(shè)定的、可靠的數(shù)據(jù)通路。主要協(xié)議 TCP、UDP。

應(yīng)用層：OSI 參考模型中最靠近用戶的一層，為計(jì)算機(jī)用戶提供應(yīng)用接口和各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。主要協(xié)議：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP、SNMP、DHCP、 DNS。

傳輸層用得最多的兩個(gè)協(xié)議：TCP和UDP。它們倆最大的區(qū)別就是TCP是通信雙方是有鏈接的，可靠的通信；而UDP則是無連接的，不可靠的通信。

????????TCP通信需要通過“3次握手，4次揮手”來建立連接，所以通信比較可靠，但是因?yàn)槎喑鰜砹诉@些多余的動(dòng)作，所以傳輸速度通常比UDP慢，適合可靠性要求高的場(chǎng)合。UDP通信則不需要建立連接，直接往對(duì)面發(fā)就完事了，管你收到?jīng)]收到，收到你命好，收不到也不關(guān)我的事，反正就是一句話：聽天由命。因?yàn)檫@個(gè)特性UDP傳輸不可靠，容易丟包，誤碼率高，但是對(duì)應(yīng)的，傳輸速度就比較快一點(diǎn)，比較適合語音通話、視頻通話這種應(yīng)用場(chǎng)合，偶爾丟幾幀沒關(guān)系，只要?jiǎng)e一直卡著就行。

????????網(wǎng)絡(luò)層用得最多的是IP協(xié)議，它解決的是如何從一個(gè)局域網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)局域網(wǎng)的問題，實(shí)現(xiàn)這一功能主要依靠IP地址和路由交換機(jī)制。

1. MAC地址

MAC地址，全稱為 Media Access Control address，即媒體訪問控制地址，由6個(gè)字節(jié)共48 位組成，理論上，每臺(tái)主機(jī)（網(wǎng)卡）的MAC地址都是唯一的。

MAC 地址是由 IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)分配的。地址的前半部分（前三組十六進(jìn)制數(shù)字，稱為 OUI，組織唯一標(biāo)識(shí)符）用于標(biāo)識(shí)設(shè)備制造商。每個(gè)制造商都有一個(gè)或多個(gè)唯一的 OUI 代碼。后半部分（后三組十六進(jìn)制數(shù)字）則由制造商自行分配給其生產(chǎn)的每個(gè)設(shè)備，確保每個(gè)設(shè)備的 MAC 地址在其生產(chǎn)的所有設(shè)備中是唯一的。

為了處理好MAC地址和交換機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在交換機(jī)內(nèi)部還維護(hù)著一張MAC地址表，它記錄著每一個(gè) MAC 地址的設(shè)備，連接在其交換機(jī)的哪一個(gè)端口上。

在一個(gè)局域網(wǎng)中，不同的設(shè)備通過交換機(jī)來進(jìn)行信息的傳遞，假設(shè)一個(gè)局域網(wǎng)網(wǎng)中有三臺(tái)設(shè)備，主機(jī)0想要與主機(jī)1進(jìn)行通信，那么就需要向交換機(jī)發(fā)送信息+主機(jī)1的MAC地址，交換機(jī)再向所有設(shè)備都發(fā)送信息+MAC地址，主機(jī)接收到之后與自己的MAC地址進(jìn)行比較，如果不相同則說明信息不是發(fā)送給自己的，將信息丟棄；如果相同則說明信息是發(fā)送給自己的，接收信息。同時(shí)給交換機(jī)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，說明自己收到了信息，那么交換機(jī)就知道了本次接收信息主機(jī)的MAC地址，并將該地址記錄到MAC地址表中。

1. IP地址

盡管MAC地址是唯一的，但是它有個(gè)致命的問題就是：一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的MAC地址很可能沒規(guī)則。MAC地址就像人的姓名，因?yàn)椴煌木W(wǎng)卡可能來自不同的設(shè)備商，所以編碼很難有什么相同的地方，但是學(xué)號(hào)就是IP地址，它是有地域性的，一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)不同主機(jī)分配的IP都有相同的前綴。

IP地址有兩個(gè)版本，IPv4和IPv6，因?yàn)槟壳?/span>IPv4仍是主流，所以本文就只講IPv4了。IPv4一共有4個(gè)字節(jié)32位，一共可以表示的地址數(shù)是2^32 = 4,294,967,296，約43億個(gè)。IP 地址（IPv4 地址）由32位正整數(shù)來表示，IP 地址在計(jì)算機(jī)是以二進(jìn)制的方式處理的。人類為了方便記憶采用了點(diǎn)分十進(jìn)制的標(biāo)記方式，也就是將 32 位 IP 地址以每 8 位為組，共分為4組，每組以?.?隔開，再將每組轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。

IP 地址分類成了 5 種類型，分別是 A 類、B 類、C 類、D 類、E 類。

最大主機(jī)個(gè)數(shù)，就是要看主機(jī)號(hào)的位數(shù)，如 C 類地址的主機(jī)號(hào)占 8 位，那么 C 類地址的最大主機(jī)個(gè)數(shù)：2^8 - 2 = 254。

為什么要減 2 呢？因?yàn)樵?IP 地址中，有兩個(gè) IP 是特殊的，分別是主機(jī)號(hào)全為 1 和 全為 0 地址。主機(jī)號(hào)全為 1 指定某個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的所有主機(jī)，用于廣播；主機(jī)號(hào)全為0指定某個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

這種IP 分類方式有兩個(gè)大的缺點(diǎn)：

• 同一網(wǎng)絡(luò)下沒有地址層次，比如一個(gè)公司里用了 B 類地址，但是可能需要根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境、開發(fā)環(huán)境來劃分地址層次，而這種 IP 分類是沒有地址層次劃分的功能，所以這就缺少地址的靈活性。
• A、B、C類有個(gè)尷尬處境，就是不能很好的與現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)匹配。
  • C 類地址能包含的最大主機(jī)數(shù)量實(shí)在太少了，只有 254 個(gè)，一個(gè)大點(diǎn)兒的網(wǎng)吧都不夠用。
  • 而 B 類地址能包含的最大主機(jī)數(shù)量又太多了，6 萬多臺(tái)機(jī)器放在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下面，一般的企業(yè)基本達(dá)不到這個(gè)規(guī)模，閑著的地址就是浪費(fèi)。

這兩個(gè)缺點(diǎn)，都可以在CIDR無分類地址解決。CIDR無分類地址這種方式不再有分類地址的概念，32 比特的 IP 地址被劃分為兩部分，前面是網(wǎng)絡(luò)號(hào)，后面是主機(jī)號(hào)。表示形式?a.b.c.d/x，其中?/x?表示前 x 位屬于網(wǎng)絡(luò)號(hào)， x 的范圍是0~32，這就使得 IP 地址更加具有靈活性。

比如 192.168.1.2/24，這種地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是網(wǎng)絡(luò)號(hào)，剩余的 8 位是主機(jī)號(hào)。

還有另一種劃分網(wǎng)絡(luò)號(hào)與主機(jī)號(hào)形式，那就是子網(wǎng)掩碼，掩碼的意思就是掩蓋掉主機(jī)號(hào)，剩余的就是網(wǎng)絡(luò)號(hào)。將子網(wǎng)掩碼和 IP 地址按位計(jì)算 AND，就可得到網(wǎng)絡(luò)號(hào)。子網(wǎng)掩碼實(shí)際上就是前面一串1加后面1串0，因?yàn)槿魏螖?shù)和1相與都是其自身，而任何數(shù)和0相與都是0，所以子網(wǎng)掩碼實(shí)際上就是那串1規(guī)定了IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)長(zhǎng)度，比如子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，就是前面24個(gè)1加后面8個(gè)0，這樣和IP地址相與，得到的實(shí)際就是前面24位的值+后面8個(gè)0。

子網(wǎng)掩碼最大的作用就是判斷兩個(gè)IP是否在同一個(gè)子網(wǎng)，比如192.168.1.1/24和192.168.1.2/24，它們的子網(wǎng)掩碼都是255.255.255.0，進(jìn)行相與運(yùn)算后，值都是192.168.1.0，所以這兩個(gè)IP都是處于同一個(gè)子網(wǎng)（即同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)）。

回到上面的多臺(tái)主機(jī)通信的案例，不同的局域網(wǎng)的主機(jī)之間通信，如果只靠MAC地址，那么尋址是非常不方便的。

如何連接多個(gè)局域網(wǎng)呢？此時(shí)每臺(tái)主機(jī)除了MAC地址外，還有一個(gè)IP地址：

因?yàn)橥痪钟蚓W(wǎng)的主機(jī)的MAC地址沒有規(guī)律，所以路由器不得不為所有的主機(jī)都建立一個(gè)MAC地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著主機(jī)的增多，這個(gè)表將會(huì)變得巨大，所需要的存儲(chǔ)空間也非常大，這無疑顯得性價(jià)比和效率都極低。而使用了IP地址，則同一局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)都有相同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，為此，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)可以對(duì)應(yīng)多臺(tái)主機(jī)，那么路由器所需要的存儲(chǔ)空間就小了很多。2個(gè)子網(wǎng)連接的示意圖如下：

當(dāng)子網(wǎng)比較多的時(shí)候一個(gè)路由器明顯是不夠的，因此不同的路由器之間也可以互相連接，所以每個(gè)路由器的每個(gè)端口也應(yīng)該有一個(gè)ip地址。

?同樣的，因?yàn)椴煌淖泳W(wǎng)間主機(jī)無法直接通信（不是同一個(gè)局域網(wǎng)的設(shè)備），它們?nèi)绻ㄐ胖荒芡ㄟ^各自對(duì)應(yīng)的路由器端口來通信，所以路由器的每個(gè)端口也需要一個(gè)MAC地址，這樣才能完成局域網(wǎng)的通信。

現(xiàn)在有個(gè)新問題，就是主機(jī)怎么知道誰是路由器？或者說路由器的IP是多少呢？

其實(shí)說發(fā)給路由器不準(zhǔn)確，應(yīng)該說 A 會(huì)把包發(fā)給默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。對(duì) A 來說，A 只能直接把包發(fā)給同處于一個(gè)子網(wǎng)下的某個(gè) IP 上，所以發(fā)給路由器還是發(fā)給某個(gè)電腦，對(duì) A 來說也不關(guān)心，只要這個(gè)設(shè)備有個(gè) IP 地址就行。所以默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，就是 A 在自己電腦里配置的一個(gè) IP 地址，以便在發(fā)給不同子網(wǎng)的機(jī)器時(shí)，發(fā)給這個(gè) IP 地址。

?不同子網(wǎng)主機(jī)的通信，比如A發(fā)數(shù)據(jù)給C，A發(fā)現(xiàn)和C不在一個(gè)子網(wǎng)后，就會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)給路由器即默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，那么路由器是怎么知道C在哪里的呢？

前面說過交換機(jī)里邊有個(gè)對(duì)應(yīng)MAC地址和端口映射關(guān)系的表，同樣的道理，也可以在路由器里邊搞個(gè)路由表來存儲(chǔ)不同的IP地址和端口之間的映射關(guān)系。但是要注意的是，因?yàn)槎丝谑怯邢薜?#xff0c;而連接的子網(wǎng)卻可以有很多個(gè)，所以有時(shí)候兩個(gè)子網(wǎng)之間并不會(huì)有直接映射關(guān)系，而是要通過多個(gè)路由表才能到達(dá)最后的子網(wǎng)。這就好比，你要從縣城去紐約，可能首先需要去省城，然后從省城去北京，最后才從北京飛到紐約。

從一個(gè)路由器跳到下一個(gè)路由器稱之為下一跳（Hop），只要路由算法算好了，那就一定可以通過有限個(gè)路由器把數(shù)據(jù)傳遞出去，那么每一個(gè)路由器只要記錄下一跳地址就行了。就像你想從縣城去紐約，跑到火車站買票，工作人員說不行，你只能先去省城（對(duì)縣城的工作人員來說，下一跳地址就是省城）。去了省城的飛機(jī)場(chǎng)買票，工作人員又說去不了，只能去北京做飛機(jī)（對(duì)省城的工作人員來說，下一跳地址就是北京），到了北京就終于能去紐約了，這幾段路程就是在不同路由器之間的下一跳。

• 以太網(wǎng)幀格式

在以太網(wǎng)鏈路上的數(shù)據(jù)包稱作以太網(wǎng)幀。以太網(wǎng)幀起始部分由前導(dǎo)碼和幀開始符組成。后面緊跟著一個(gè)以太網(wǎng)報(bào)頭，以MAC地址說明目的地址和源地址。幀的中部是該幀負(fù)載的包含其他協(xié)議報(bào)頭的數(shù)據(jù)包(例如IP協(xié)議、ARP協(xié)議)。以太幀由一個(gè)32位冗余校驗(yàn)碼結(jié)尾。它用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否出現(xiàn)損壞。以太網(wǎng)幀格式如下圖所示。

1.前導(dǎo)碼和幀開始符是固定的，為7個(gè)0x55緊跟著1個(gè)0xd5

2.目的MAC地址指明幀的接受者

3.源MAC地址指明幀的發(fā)送者

4.以太網(wǎng)類型，指示幀的類型，比如0x0800表示該幀是IP數(shù)據(jù)包，0x0806表示該幀是ARP協(xié)議數(shù)據(jù)包

5.數(shù)據(jù)和填充就是所承載的數(shù)據(jù)包，跟前面以太網(wǎng)類型對(duì)應(yīng)。

6.幀校驗(yàn)序列是一個(gè)32位的循環(huán)校驗(yàn)碼（FCS）。

ARP協(xié)議，全稱為Address?Resolution Protocol，即地址解析協(xié)議，ARP協(xié)議屬于以太網(wǎng)幀的一種，前面以太網(wǎng)幀介紹中有說到，我們?nèi)绻麖脑O(shè)備A發(fā)送以太網(wǎng)幀到設(shè)備B，我們不可能每次都進(jìn)行廣播，那么設(shè)備A如何知道設(shè)備B的物理地址呢？ARP協(xié)議就是為了解決這個(gè)問題。

首先設(shè)備Ａ廣播，發(fā)送ARP請(qǐng)求，等收到設(shè)備B的ARP應(yīng)答以后就能知道設(shè)備B的MAC地址。ARP幀格式如下圖所示

　　

ARP字段就是前面以太網(wǎng)幀待填充的數(shù)據(jù)。硬件類型、上層協(xié)議類型、MAC地址長(zhǎng)度、IP地址長(zhǎng)度均固定不變。

假設(shè)設(shè)備A的IP地址為192.168.0.2，MAC地址為0x00_0a_35_01_fe_c0，我們知道目的IP地址為192.168.0.3，不知道該IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址，如果設(shè)備A想要和IP地址為192.168.0.3的設(shè)備B進(jìn)行通信（如UDP或者IP通信），就必須知道它的MAC地址。此時(shí)設(shè)備A就需要廣播發(fā)送ARP請(qǐng)求，接收方MAC地址填0xff_ff_ff_ff_ff_ff。這樣IP地址為192.168.0.3的設(shè)備就會(huì)解析出這是一個(gè)ARP請(qǐng)求，它詢問自身的MAC地址，此時(shí)它就會(huì)做出ARP應(yīng)答，將自身的MAC地址發(fā)送給對(duì)應(yīng)IP地址的設(shè)備A。

注意發(fā)送ARP請(qǐng)求時(shí)，操作碼為0x0001，應(yīng)答時(shí)操作碼為0x0002。

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