Linux网络服务(二)——交换机、网络层与传输层原理详解

前言

本文档系统性地介绍了计算机网络中交换机、网络层和传输层的核心原理，通过生动的类比和实例解析，帮助读者深入理解数据通信的基本机制。内容涵盖数据链路层的帧传输、网络层的IP寻址与路由、传输层的TCP/UDP协议等关键技术，适合网络初学者和从业人员参考学习。

---

一、交换机原理

1.1 数据链路层

1.1.1 数据链路层的功能

数据链路层是网络通信的“打包和配送部门”，负责将网络层的数据封装成帧并通过物理介质传输。其核心功能包括：

• 建立连接：通过物理链路实现设备间的通信。
• 帧封装：为数据添加头部和尾部，形成帧结构。
• 差错检测：确保数据传输的完整性。
• 流量控制：协调发送与接收速率，避免数据溢出。

1.1.2 以太网的发展历程

以太网技术自1973年诞生以来经历了多次演进：

1. 实验性以太网：2.94 Mbps（Xerox公司提出）。
2. DIX与IEEE 802.3标准：
   • DIX：由DEC、Intel和Xerox三家公司合作，于1980年发布了10 Mbps以太网标准（DIX Ethernet V1）。
   • IEEE 802.3：1983年，IEEE基于DIX标准制定了正式的以太网标准（IEEE 802.3），标志着10兆以太网的广泛应用。
3. 10 Mbps以太网：10 Mbps以太网成为早期局域网的主流技术，支持同轴电缆（如10BASE5、10BASE2）和双绞线（10BASE-T）等多种介质。
4. 快速以太网：1995年IEEE 802.3u标准实现100 Mbps。
5. 千兆以太网：1998年IEEE 802.3z/ab标准达到1 Gbps，支持光纤和铜缆介质。
6. 后续发展：万兆（10 Gbps）、40 Gbps、100 Gbps等高速标准。

1.2 MAC地址与帧格式

1.2.1 MAC地址

计算机联网必须依赖网卡这一硬件设备。在通信过程中，用于标识主机身份的是一个固化在网卡上的硬件地址。每块网卡出厂时，除了具备基本功能外，都被赋予一个全球唯一的标识号，这个地址就是MAC地址，也就是网卡的物理地址。

• 定义：48位硬件地址，全球唯一，通常分成六段，用十六进制表示，如 00-D0-09-A1-D7-B7，前24位为厂商编号，后24位为网卡序列号。
• 类型：
  • 单播地址（第8位为0）：标识单个设备。
  • 组播地址（第8位为1）：标识一组设备。
  • 广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）：发送给所有设备。

1.2.2 以太网帧格式

以太网帧包含以下字段：

• 前导码（7字节）：同步时钟。
• 帧起始定界符（1字节）：标记帧的开始。
• 目标/源MAC地址（各6字节）：标识收发双方。
• 类型（2字节）：上层协议类型（如IP或ARP）。
• 数据（46~1500字节）：有效载荷。
• FCS（4字节）：校验和，确保数据完整性。

1.3 交换机的工作原理（重点）

1.3.1 工作流程

1. 学习MAC地址：记录源MAC地址与接口的映射关系。
2. 查表转发：
   • 已知目标MAC：直接转发到对应接口。
   • 未知目标MAC：广播泛洪。
3. 单播通信：目标设备响应后，更新MAC地址表。交换机会记录它的MAC地址，下次直接送，不再广播。

1.3.2 工作模式

• 单工：单向通信（如对讲机）。
• 半双工：交替收发（如步话机）。
• 全双工：同时收发（如电话通话）。

---

二、网络层（IP的世界）

2.1 网络层的功能

网络层是互联网的“路线规划员”，核心功能包括：

1. IP地址编址：网络层通过IP协议为全网设备分配唯一的逻辑地址（IPv4/IPv6），实现跨网络的主机标识。例如，将域名（如 www.example.com ）解析为IP地址（如 192.0.2.1 ），类似邮政系统中“国家-城市-街道-门牌”的层级化寻址机制。
2. 异构网络互联：实现不同网络类型（如以太网、Wi-Fi）的互通。
3. 路由选择和分组转发：基于路由算法（如OSPF、BGP）动态计算最优路径，并依据IP包头中的目的地址进行分组转发。此过程类似导航系统：路由器通过“路由表”查询下一跳节点，同时根据网络拥塞、链路成本等因素实
   时优化路径。

技术意义：
网络层是实现“端到端”通信的关键，其核心协议（如IP、ICMP）确保了全球互联网的可扩展性和连通性。若缺少此层，数据将无法跨越不同子网传输，仅能局限于本地链路通信。

2.2 路由器的工作原理（重点）

一句话总结：路由器根据路由表选择最佳路径到达对端。

2.3 IP数据包格式

IP数据包类似于快递包裹，承载着需要传输的信息（如网页内容或视频数据）。其结构由两部分组成：头部（Header）包含路由和传输指令，指导网络设备如何传送；数据（Data）部分则存储实际传输的内容。

• 版本（4比特）
  • 比如 IPv4 （写的是 4 ）或 IPv6 （写的是 6 ），这里显然是IPv4。
• 首部长度（4比特）
  • 表示IP头有多长（单位是4字节），一般最小是 5 （即20字节，没有可选字段时）。
• 优先级与服务类型（8比特）
  • 用来区分包裹的“紧急程度”，比如视频通话的包优先级比普通网页高。
• 总长度（16比特）
  • 整个IP包的长度（头部+数据），最大能到 65535 字节。
• 标识符、标志、段偏移量（共32比特）
  • 标识符：给数据包编号，方便分片后重组（比如大文件拆成多个小包）。
  • 标志：比如 不要分片（DF） 或还有更多分片（MF） 。
  • 段偏移量：告诉接收方“这个分片在原数据中的位置”。
  • 如果数据太大（比如超大文件），IP层会把它切成多个小包（分片），接收方再拼回去。
    • 通过标识符 、 标志 、 段偏移量 这三个字段控制分片和重组。
• TTL（8比特）
  • “存活时间”，每经过一个路由器就减1，到0就丢弃（防止包在网络上无限转圈）。
• 协议号（8比特）
  • 说明数据部分是什么“快递公司”的货（比如 6=TCP 、 17=UDP ）。
• 首部校验和（16比特）
  • 检查头部是否在传输中出错（如果错了就丢掉）。
• 源地址 & 目标地址（各32比特）
  • 就是发件人（你的IP）和收件人（服务器IP）的地址。
• 可选项（可选）
  • 额外功能，比如安全标签，一般不用。
• 数据
  • 上层（比如TCP/UDP）传下来的内容，IP层只负责搬运，不关心里面具体是啥。

2.4 ICMP协议

ICMP是网络的“错误报告员”，主要有三个核心特点：

1. 网络故障报警员
   • 当你的数据包在路上出问题时（比如目标服务器宕机、网络断连），ICMP会立刻返回错误报告，
     就像快递员打电话告诉你"地址写错了送不了"。
2. 套着IP外壳传输
   • ICMP消息是通过IP数据包运送的（IP协议号=1），但属于网络层协议。相当于把报警信装在标准
     快递袋（IP包）里寄出。
3. 两大核心任务
   • 发错误通知（比如"目标不可达"、“网络超时”）
   • 传控制消息（比如ping检测是否在线、traceroute查快递路线）

2.4.1 ping命令的用法

常见 Ping 参数：

• -t 在 Windows 操作系统中，默认情况下发送 4 个 ping 包，如果在 ping 命令后面加上参数“-t”，系统将会一直不停地 ping 下去
• -a 显示主机名
• -l 一般情况下，ping 包的大小为 32 字节，有时为了检测大数据包的通过情况，可以使用参数改变ping 包的大小
  • 在linux 系统下为 -s
• -n 指定发送包的个数
  • 在linux 系统下为 -c
• -S 指定源IP去ping
  • 在linux 系统下为 -l

WIN:
tracert命令：
在命令行中输入“tracert ”并在后面加入一个IP地址，可以查询从本机到该IP地址所在的电脑要经过的路由
器及其IP地址
Linux:traceroute IP/域名

2.5 ARP协议（IP → MAC 的翻译官）

ARP（Address Resolution Protocol）是地址解析协议，它的作用是将一个已知的IP地址解析成MAC地址。

2.5.1 ARP工作原理（重点）

1. PC1想发送数据给PC2， 会先检查自己的ARP缓存表。
2. 如果发现要查找的MAC地址不在表中，就会发送一个ARP请求广播，用于发现目的地的MAC地址。ARP请求消息中包括PC1的IP地址和MAC地址以及PC2的IP地址和目的MAC地址(此时为广播MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF)。
3. 交换机收到广播后做泛洪处理，除PC1外所有主机收到ARP请求消息，PC2以单播方式发送ARP应答， 并在自己的ARP表中缓存PC1的IP地址和MAC地址的对应关系，而其他主机则丢弃这个ARP请求消息。
4. PC1在自己的ARP表中添加PC2的IP地址和MAC地址的对应关系，以单播方式与PC2通信。

2.5.2 ARP相关命令

windows当中查看arp缓存表（静态arp和动态arp）

arp -a ###查看arp缓存表
arp -d [IP] ###删除arp缓存表
arp -s IP MAC ###删除arp静态绑定

动态ARP表项老化：在一段时间内（默认180s）如果表项中的ARP映射关系始终没有使用，则会被删除。通过及时删除不活跃表项，从而提升ARP响应效率

2.5.3 ARP攻击与防御

• 攻击原理：伪造ARP响应，劫持流量（中间人攻击）。
• 防御措施：
  • 静态ARP绑定：手动配置IP-MAC映射。
  • 加密通信：使用HTTPS/SSH避免数据泄露。

---

三、传输层（TCP vs UDP）

3.1 TCP协议

3.1.1 特点

• 面向连接：通过三次握手建立可靠连接。
• 可靠传输：丢包重传、数据排序。
• 流量控制：动态调整窗口大小。

3.1.2 TCP报文段

• 端口号：标识收发进程（如HTTP默认80端口）。
• 序号/确认号：确保数据有序传输。
• 控制标志：如SYN（连接请求）、FIN（断开连接）。
• 窗口大小：通告接收缓冲区剩余空间。
• 校验和：检查包裹是否损坏（计算数据完整性，发现错误就丢弃）。

控制标志位：

• URG：紧急数据（比如快递包裹上贴“加急”标签）。
• ACK：确认有效（相当于“我已收到你的消息”）。
• PSH：催促对方立刻处理（类似“尽快拆包”）。
• RST：强制断开连接（突然拒收包裹，终止交易）。
• SYN：发起连接请求（“你好，我要寄快递”）。
• FIN：礼貌结束连接（“我的包裹发完了，再见”）。

记忆口诀：URGENT加急，ACK要确认，PSH快处理，RST断连接，SYN打招呼，FIN说再见 。

3.1.3 连接管理（重点）

3.1.3.1 三次握手（建立连接）：

1. 客户端→服务器：发送SYN报文(Seq序列号=x(x为随机)，SYN=1（表示发送连接请求）)。
2. 服务器→客户端：发送SYN+ACK报文(Seq序列号=y，Ack确认号=x+1，SYN=1,，ACK=1)。
3. 客户端→服务器：发送ACK报文(Seq序列号=x+1，Ack确认号=y+1，ACK=1)。

3.1.3.2 四次挥手（断开连接）：

1. 主动方→被动方：发送FIN/ACK报文(FIN=1，ACK=1)。
2. 被动方→主动方：发送ACK报文(ACK=1)。
3. 被动方→主动方：发送FIN/ACK报文(FIN=1，ACK=1)。
4. 主动方→被动方：发送ACK报文(ACK=1)。

3.1.4 TCP常见应用

• 网页（HTTP/HTTPS，端口 80/443）
• 文件传输（FTP，端口 21 ）
• 邮件（SMTP，端口 25）
• 远程登录（TELNET，23）
• 邮件的接收（POP3 110）
• dns–域名服务 （53）
• mysql数据库 （3306）

3.2 UDP协议

3.2.1 特点

• 无连接：直接发送数据，无需握手。
• 不可靠：不保证数据到达或有序。
• 高效：适合实时应用（如视频通话、在线游戏）。

3.2.2 UDP常见应用

• NTP–网络时间协议 123
• DHCP–动态主机配置协议 67
• SNMP–简单网络管理协议161
• TFTP–简单文件传输协议 69
• RPC–远程调用协议 111

3.3 TCP与UDP对比

特性	TCP	UDP
连接方式	面向连接（三次握手）	无连接
可靠性	可靠（丢包重传）	不可靠
速度	较慢	较快
适用场景	网页、文件传输	视频通话、在线游戏

---

总结

本文档系统梳理了计算机网络中交换机、网络层和传输层的核心原理：

1. 数据链路层：通过MAC地址和交换机实现本地数据帧的精准投递。
2. 网络层：依托IP协议和路由算法，实现跨网络的点到点通信。
3. 传输层：TCP提供可靠传输，UDP追求高效实时，两者互补满足不同需求。

实际应用示例：访问百度时，DNS（UDP）解析域名，TCP建立连接传输网页数据，最终完成通信。理解这些原理，有助于优化网络设计和故障排查。