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文章目录深入浅出理解网络核心从交换机到TCP/UDP一、数据链路层交换机的地盘1. 数据链路层的核心功能2. 以太网的发展历程3. 以太网中的MAC地址4. 以太网帧格式数据的快递包装5. 交换机的工作原理高效的快递分拣员二、网络层IP的导航世界1. 网络层的核心功能2. IP数据包格式数据的导航包裹3. ICMP协议网络中的故障报告员4. ARP协议IP与MAC的翻译官ARP的工作原理ARP相关命令ARP攻击原理三、传输层TCP与UDP的传输对决1. TCP可靠的老大哥TCP报文段结构TCP三次握手建立连接TCP四次挥手断开连接2. UDP随性的小弟3. TCP与UDP的对比四、总结网络通信的协同工作流深入浅出理解网络核心从交换机到TCP/UDP
在我们日常畅游互联网时浏览网页、发送消息、在线游戏等操作背后是一套精密的网络协议在默默支撑。从数据的封装传输到地址的解析转换再到连接的建立与断开每一个环节都有其独特的机制。今天我们就一同深入探索网络世界的核心原理从数据链路层的交换机到网络层的IP协议家族再到传输层的TCP与UDP揭开网络通信的神秘面纱。
一、数据链路层交换机的地盘
数据链路层就像快递公司的打包和配送部门负责将网络层传来的数据包装成帧然后通过物理介质如网线、光纤发送出去。而交换机就是这个部门里高效的分拣员。
1. 数据链路层的核心功能
数据链路层的工作围绕着数据帧的处理展开主要包括
建立、维护与拆除连接类似快递公司开通新的配送路线确保设备间能够正常通信。帧的包装与传输给数据加上头和尾形成帧就像给物品装上快递盒并贴上快递单同时保证帧的有序传送和边界识别。差错检测与恢复通过校验机制检查数据在传输过程中是否损坏若有问题则采用重传等方式进行恢复如同快递员检查包裹是否破损。流量控制防止发送方发送速度过快导致接收方处理不过来避免出现类似快递站爆仓的情况。
2. 以太网的发展历程
以太网是目前应用最广泛的局域网技术其发展历程见证了网络速度的飞速提升
1973年Xerox施乐公司提出实验性以太网速率仅为2.94 Mbps。1980年DEC、Intel和Xerox合作发布10 Mbps以太网标准DIX Ethernet V1。1983年IEEE基于DIX标准制定了正式的以太网标准IEEE 802.310兆以太网开始广泛应用支持同轴电缆和双绞线等介质。1995年IEEE 802.3u标准将速率提升至100 Mbps快速以太网。1998年IEEE 802.3z/ab标准实现1000 Mbps千兆以太网传输。后续又不断演进出现了万兆10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps甚至更高速度的标准以满足现代高速网络需求。
3. 以太网中的MAC地址
每台联网设备的网卡都有一个全球唯一的标识——MAC地址它就像网卡的身份证。MAC地址由48位二进制数组成通常用十六进制表示如00-D0-09-A1-D7-B7。前24位是厂商编号后24位是网卡序列号。
根据MAC地址的第8位可分为
单播地址第8位为0用于标识单个设备一块物理网卡的地址一定是单播地址。组播地址第8位为1用于标识一组接收者是一个逻辑地址。
此外还有广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF用于向局域网内所有设备发送数据。
4. 以太网帧格式数据的快递包装
一个以太网帧就像一个快递包裹包含以下部分
前导码7字节由0xAA组成作用是使接收方的时钟与发送方同步如同快递车按喇叭提醒快递来了。帧起始定界符1字节值为0xAB标记帧的开始类似快递员敲门。MAC地址12字节包括6字节的目标MAC地址收件人地址和6字节的源MAC地址寄件人地址。类型2字节标明数据类型如0800H表示IP包0806H表示ARP包类似快递单上的物品类型。数据46~1500字节真正要传输的内容如网页、视频数据等这是帧的货物。FCS4字节帧校验序列采用32位CRC算法用于检查数据是否损坏如同快递员核对包裹是否完整。
以太网帧的总长度在64~1518字节之间其中数据部分的最大长度1500字节被称为最大传输单元MTU。
5. 交换机的工作原理高效的快递分拣员
交换机通过学习、转发、广播等操作实现数据帧的精准传送其工作流程如下
学习MAC地址当设备发送数据时交换机会记录源MAC地址与发送端口的对应关系到MAC地址表中就像快递站记住张三的快递都从东门取。查表转发如果目标MAC地址在MAC地址表中交换机就将数据帧直接转发到对应的端口实现精准投递若目标MAC地址不在表中则向除源端口外的所有端口广播该数据帧如同对所有端口喊“这是谁的快递”。处理特殊帧当收到广播帧或组播帧时交换机会无条件泛洪处理如果从不同端口学习到同一个MAC地址会将该MAC地址与后学习到的端口绑定。
交换机有三种工作模式
单工只能发送或接收数据不能同时进行类似对讲机。半双工能发送也能接收但不能同时进行类似步话机。全双工能同时收发数据类似打电话。
二、网络层IP的导航世界
如果说数据链路层负责本地的数据传输那么网络层就是实现跨网络通信的导航系统其核心是IP协议主要解决数据如何在不同网络之间穿梭的问题。
1. 网络层的核心功能
网络层的功能可以概括为以下几点
IP地址编址与逻辑寻址为全网设备分配唯一的逻辑地址IPv4/IPv6如同给每个设备分配门牌号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类似邮政系统的层级化寻址。异构网络互联通过路由器等设备实现不同传输媒介如以太网、Wi-Fi、5G或不同协议网络如IPv4与IPv6的互联互通屏蔽底层差异形成统一的全局通信环境。路由选择与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。这就像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等情况实时优化路径。
简单来说没有网络层数据就无法跨越不同子网传输只能局限于本地链路通信。
2. IP数据包格式数据的导航包裹
IP数据包由头部Header和数据Data两部分组成头部包含了路由所需的关键信息
版本4比特标识IP协议版本如IPv4值为4或IPv6值为6。首部长度4比特表示IP头的长度单位是4字节最小为520字节无可选字段时。优先级与服务类型8比特区分数据包的紧急程度如视频通话的包优先级高于普通网页。总长度16比特整个IP包的长度头部数据最大为65535字节。标识符、标志、段偏移量共32比特用于控制数据包的分片与重组。当数据过大时IP层会将其切成多个小包接收方再根据这些字段拼回去。TTL8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比特说明数据部分对应的上层协议如6表示TCP17表示UDP。首部校验和16比特检查头部是否在传输中出错若出错则丢弃。源地址 目标地址各32比特发送方和接收方的IP地址。可选项可选提供额外功能如安全标签一般不常用。数据上层如TCP/UDP传下来的内容IP层只负责搬运。
3. ICMP协议网络中的故障报告员
ICMPInternet控制报文协议是网络层的得力助手主要功能是
网络故障报警当数据包传输出现问题如目标服务器宕机、网络断连ICMP会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。控制消息传输通过IP数据包运送IP协议号1主要包括错误通知如目标不可达、“网络超时”和控制消息如ping检测、traceroute查路径。
常见场景
用ping命令检测主机是否在线背后是ICMP的Echo Request/Reply机制。访问不存在的IP时路由器会返回目标不可达的ICMP报文。用tracerouteWindows中为tracert查看数据包路径依靠ICMP超时报文。
不过有些网络会关闭ICMP响应如禁ping以保障安全。
4. ARP协议IP与MAC的翻译官
ARP地址解析协议是网络层与数据链路层之间的桥梁负责将IP地址转换为MAC地址。
ARP的工作原理
每台主机或路由器都维护着一个ARP缓存表记录IP地址到MAC地址的映射关系表项有生存时间默认120秒。其工作过程如下
当PC1想发送数据给PC2时先在本地ARP缓存表中查找PC2的MAC地址。若未找到PC1会发送ARP请求广播包含PC1的IP、MAC地址和PC2的IP地址目标MAC为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。交换机收到广播后泛洪处理除PC1外的所有主机收到请求只有PC2发现IP匹配将PC1的信息添加到自己的ARP缓存表并以单播方式返回包含自己MAC地址的ARP应答。PC1收到应答后将PC2的IP和MAC地址添加到本地ARP缓存表之后便可单播通信。
ARP相关命令
在Windows中可通过以下命令操作ARP缓存表
arp -a查看ARP缓存表。arp -d [IP]删除指定IP的ARP表项。arp -s IP MAC静态绑定IP与MAC地址需管理员权限。
ARP攻击原理
黑客可伪造ARP应答欺骗设备将数据发送到自己的设备实现流量劫持。防御方法包括静态ARP绑定和网络监控如用Wireshark检测异常ARP包。
三、传输层TCP与UDP的传输对决
传输层位于网络层之上负责端到端的数据传输主要有两个核心协议TCP和UDP它们各有特点适用于不同场景。
1. TCP可靠的老大哥
TCP传输控制协议的特点是
面向连接必须先通过三次握手建立连接类似打电话先拨通。可靠传输通过序号、确认号等机制确保数据不丢失、不重复、按序到达丢了会重传如同快递丢了会补发。流量控制根据接收方的能力调整发送速度避免接收方爆仓。
TCP报文段结构
TCP报文段的头部包含关键控制信息
源端口号和目标端口号各16位标识发送方和接收方的进程类似快递单上的寄件人和收件人电话。序号32位给数据字节编号防止乱序或丢失如同书页的页码。确认号32位告诉对方已收到的最大序号下次应从该序号开始发送。控制标志位包括URG紧急数据、ACK确认有效、PSH催促处理、RST强制断开、SYN发起连接、FIN结束连接。窗口大小16位告知对方接收缓冲区剩余空间用于流量控制。校验和16位检查数据是否损坏。
TCP三次握手建立连接
客户端 → 服务器发送SYN1的报文请求连接 Seqx 。服务器 → 客户端回复SYN1、ACK1的报文同意连接 SeqyAckx1 。客户端 → 服务器发送ACK1的报文确认连接建立 Seqx1Acky1 。
TCP四次挥手断开连接
A → B发送FIN1的报文告知已无数据发送。B → A回复ACK1的报文确认收到断开请求此时B可能仍有数据要发。B → A发送FIN1的报文告知已无数据发送。A → B回复ACK1的报文确认断开连接A会进入TIME_WAIT状态防止最后一个ACK丢失。
常见的TCP应用有网页HTTP/HTTPS端口80/443、文件传输FTP端口21、邮件SMTP端口25等。
2. UDP随性的小弟
UDP用户数据报协议的特点是
无连接直接发送数据无需建立连接类似发短信不用等对方接电话。不可靠不保证数据的可靠传输可能丢失或乱序如同明信片丢了不补发。速度快由于无需确认等机制传输效率高适合实时应用。
常见的UDP应用有DNS查询端口53、视频通话、在线游戏、NTP网络时间协议端口123、DHCP动态主机配置协议端口67等。
3. TCP与UDP的对比
对比项TCPUDP连接方式面向连接三次握手、四次挥手无连接可靠性可靠不丢、不重、按序不可靠可能丢失、乱序速度与效率较慢需确认、重传等较快无额外机制适用场景重要文件传输、长连接服务网页、邮件实时性优先场景视频、游戏、DNS查询类比顺丰到付必须签收普通邮筒扔了不管
四、总结网络通信的协同工作流
网络通信的三层核心协议各有分工协同配合
数据链路层交换机用MAC地址在本地网络转发数据帧如同快递站的分拣员。网络层IP、ICMP、ARP通过IP地址实现跨网络寻址ARP负责IP与MAC的转换如同导航系统和门牌号查询。传输层TCP、UDPTCP提供可靠传输如同顺丰快递UDP提供快速传输如同普通快递。
以访问百度为例整个流程是
用DNSUDP查询www.baidu.com的IP地址。客户端与百度服务器通过TCP三次握手建立连接。通过HTTP基于TCP请求网页数据。数据传输完成后通过TCP四次挥手断开连接。
正是这一层层协议的精密协作才让我们能够顺畅地在网络世界中穿梭。理解这些原理不仅能帮助我们更好地应对网络问题也能让我们对互联网的运行有更清晰的认识。
