网络编程

计算机网络-链路层

Posted by 小拳头 on Monday, November 9, 2020

概述

运行链路层的主机/路由器/交换机等都叫结点(node), 连接相邻结点的通信信道叫链路. 数据报会被封装到链路层帧中并被传送到链路. 主体部分是网络适配器或者网络接口卡(NIC).

链路层提供的服务

  1. framing.
  2. 链路接入, medium access control(MAC) protocol规定帧在链路上的传输规则.
  3. 可靠交付, 链路层提供可靠交付服务时, 保证无差错地移动网络层数据报.
  4. 差错检测和纠正, 通过硬件提供.

多路访问链路和协议

链路层信道有点对点和广播两种. 对于广播, 当任何一个结点传输一个帧时, 信道就会广播这个帧, 让其他的结点都收到一个副本. 以太网和无线局域网就是广播的应用. 通过多路访问协议来规范它们在共享的广播信道上的传输行为. 具体内容暂时跳过, 主要focus在下一章.

交换局域网

在交换局域网中, 交换机运行在链路层, 意味着他们不执行网络层协议(不识别ip地址, 没有路由选择), 只在链路层交换链路层帧.

链路层寻址和ARP

MAC地址存在于结点的网络适配器中. 也叫LAN address/physical addrerss. 对于以太网和802.11无线局域网, MAC地址有6个byte, 对局域网的每个接口来说都是独一无二的(虽然可以通过一些软件来改变, 但是设计上是独一无二的). 前24位由IEEE分配, 后24位由生产主机/路由等结点的公司分配, 来保证唯一性.

ARP就是地址解析协议, 可以将IP地址解析为MAC地址, 自然会联想到DNS, 不同的是DNS解析可以在因特网任何地方, 而ARP只能在一个子网上解析. 每台主机或者路由器的内存中会有一个ARP table, 包含IP地址到MAC地址的映射和一个TTL值. TTL值表示删除一个映射的时间.

所以, 如果ARP table中本来就有某个表项, 从ip222.222.222.220向222.222.222.222发送数据报就很容易了, 但是如果没有, 发送方就需要通过ARP协议来解析ip. 同样的例子, 222.222.222.220会先向适配器发送ARP查询分组, 并且MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF, 这个特殊的ARP分组被封装到帧中, 并被传输进子网. 222.222.222.222所对应的主机就能返回一个响应ARP分组, 222.222.222.220就可以更新ARP表了. 而对于跨子网来说, 路由器会成为连接两个子网的媒介, 先从主机到路由器MAC, 再从路由器到另一个子网某个主机的MAC.

ARP不仅涵盖了链路层的MAC, 也涵盖了网络层的IP, 所以它实际上是一个跨越链路层和网络层的协议.

以太网

以太网帧如下图所示. 以太网服务是无连接, 不可靠的. 即使有CRC检验, 但是如果校验失败也只是丢弃该帧而已. 如果应用基于UDP, 那么接收主机是可以看到因为丢帧带来的数据间隙的, 而堆TCP应用来说, 虽然丢帧不直接引起重传, 但是如果TCP需要重传, 意味着datagram其实也重传了, 只是以太网并不知道此.

  • 数据字段(46~1500byte): 承载datagram, 1500好理解, 是MTU的最大限制, 而46是数据字段最小长度(也是最小的MTU长度), 如果小于46byte, 就会进行填充. 而网络层解析IP datagram的时候可以根据头中的长度字段来去除填充部分.
  • 目的的值(6byte): 目的适配器的MAC地址.
  • 源地址(6byte): 传输该帧的适配器的MAC地址.
  • 类型(2byte): 网络层协议的类型, 0x0800表示IP地址.
  • CRC(4byte): 循环冗余检测, 接收适配器以此检测帧中是否有差错.
  • 前同步码(8byte): 同步发送和接收适配器.

链路层交换机

交换机对子网中的主机和路由器是透明的. 他们并不知道交换机的存在.

  1. 交换转发和过滤: filtering值判断帧应该转发到某个节后还是将其丢弃, forwarding决定帧导向哪个接口. 都借助switch table完成. 表项包括(MAC地址, 交换机接口, 时间). 如果交换机接口x到达了一个帧. 先查表, 如果表中没有对应的地址, 则广播该帧到前面所有的输出缓存. 如果该帧的MAC得知对应的接口还是x, 则过滤掉(丢弃)该帧. 如果对应接口不是x, 则将该帧放到对应接口的输出缓存.
  2. 自学习: switch table初始为空, 每个入帧被存储. 当过了aging time后, 交换机没有收到该地址作为源地址的帧, 则在表中删除这个地址.
  3. 性质: 消除碰撞(集线器不行), 链路彼此隔离, 管理.
  4. 比较交换机和路由器, 交换机在第二层, 路由器在第三层. 交换机可以即插即用, 有相对高的分组过滤和转发速率. 但是微课防止广播帧逊汗, 交换网络的拓扑结构限制为生成树. 过大的交换网络会要求主机和路由器由大的ARP表, 造成大量的ARP流量和处理量. 路由的拓扑结构没有限制, 因为有TTL保证不会有过多冗余.

Web页面请求过程

书本上用张三访问www.google.com为例, 过程如下图. 张三将笔记本通过以太网电缆连接到学校的以太网交换机, 而交换机连接着学校的路由器. 学校的路由器连接着ISPcomcast.

准备阶段

张三的笔记本连接以太网后, 需要通过本地的DHCP服务器获得一个ip. 笔记本的操作系统生成DHCP请求报文, 并将其放入UDP segment. 其目的端口是67(DHCP服务器), 源端口是68(DHCP客户). UDP又被放到datagram中, 目的地ip地址是255.255.255.255(广播), ip源地址是0.0.0.0(因为笔记本还没被分配ip地址). IP datagram被封装到以太网帧中, 以太网帧的目的MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF, 而源MAC地址就是张三笔记本适配器的00:16:D3:23:68:8A. 最终帧通过交换机到达路由器的接口, 层层分解, 直到DHCP请求从UDP segment中抽取出来, 给DHCP服务器. DHCP服务器生成包含这个IP地址/DNS服务器IP68.87.71.126/网关路由器IP68.85.2.1(包括掩码)的DHCP ACK报文. 再层层向下封装到帧. 源MAC地址是00:22:6B:45:1F:1B, 目的MAC地址是00:16:D3:23:68:8A. 此时的交换机已经知道了张三笔记本的MAC地址, 所以直接将DHCP ACK的以太网帧从对应的端口发送. 层层向上解析, 得到自己的IP地址和DNS服务器的IP地址.

仍在准备(DNS, ARP)

当张三输入了www.google.com的url之后, Web浏览器通过TCP socket, 向www.google.com发送HTTP请求, socket需要ip, 而ip会通过DNS得到.

张三笔记本的os生成DNS查询报文, 将www.google.com放入其中, 而DNS报文又会被放到端口是53的UDP segment中, UDP segment的目的地址是86.87.71.226, 源地址是68.85.2.101. 层层封装到帧中, 在链路层寻址到学校的网关路由器. 因为之前张三的笔记本只通过DHCP ACK得到了这个网关路由器的ip地址, 所以现在需要通过ARP去取得对应的MAC地址. 张三笔记本生成一个目的地是68.85.2.11的ARP查询报文, 将其放在广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF的以太网帧中, 通过交换机发送. 当网关路由器接收到该ARP查询报文的帧, 发现目标地址匹配, 就会进行ARP应答, 封装到以太网帧中, 并向交换机发送, 交换机再交付给张三的笔记本. 张三的笔记本就可以从ARP响应报文中抽取网关路由器的MAC地址.

接下来, 张三的笔记本就能将DNS的以太网帧就能寻址到网关路由器了.

仍在准备(域内路由选择到DNS服务器)

网关路由器解析这个帧, 提取帧中DNS查询的IP datagram, 根据datagram的目的地址68.87.71.226, 通过转发表转发到Comeast最左侧的路由器. 继续转发, 直到DNS查询到达DNS服务器, 找到对应域名www.google.com的ip64.233.169.105的DNS源记录. 形成DNS回答报文, 被放入UDP datagram, 向张三的笔记本发送. 张三的笔记本就可以抽取出这个ip地址了.

这里书里面没有讲缓存, 实际操作和实验中其实常常会遇到DNS已经被缓存了. 通常会找浏览器缓存, 本机的hosts文件映射, 路由缓存, 最后在才会找DNS服务器.

Web client -> Server(TCP. HTTP)

Bob的笔记本浏览器通过TCP 生成socket向www.google.com发送HTTP GET报文门. 生成socket的时候会三次握手, TCP SYN->TCP SYNACK->ACK.

google的HTTP服务器收到HTTP GET报文, 生成HTTP响应报文, 把Web页内容放进响应体中, 向Bob的笔记本转发. 最终网页就显示了出来.

实验

Ethernet and ARP

分析原实验的log, uncheck Analyze->Enabled Protocols中的IPv4, 因为我们只想看网络层以下的信息.

选择的这一条信息是包含HTTP GET的. host的MAC地址是00:d0:59:a9:3d:68, 目的地址是00:06:25:da:af:73. 而以太网类型编号0x0800表示IPv4. 到G出现在以太网帧共有55byte(两个16进制位相当于一个字节).

继续看下图中的ARP请求帧. 源地址是00:80:ad:73:8d:ce, 目的地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff. 可以看到ARP所对应的Tpye是0x0806. 而Opcode操作码为1. (1是ARP请求, 2是ARP回显, 3是RARP请求, 4是RARP应答). 其中的192.168.1.1就是路由器的地址. 而从Ethernet II可以看出这是一次广播.

ARP响应. 此时路由器的MAC地址就知道了. 路由器的MAC地址是00:06:25:da:af:73, 而主机的MAC地址是00:d0:59:a9:3d:68.

参考

  1. 计算机网络-自顶向下方法(第6版)
  2. Computer Networking A Top-Down Approach(7th edition)
  3. 作业
  4. 习题答案
  5. wireshark实验
  6. 程序羊-计算机网络面试题总结
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