半桔：个人主页
🔥 个人专栏: 《网络编程》《手撕面试算法》《C++从入门到入土》
🔖生活就像一盒巧克力，你永远不知道下一颗是什么味道 《阿甘正传》
文章目录
- 前言
- 一. 数据链路层的报头(帧头)
- 二. 路由表
- 三. MTU与MSS
- 四. ARP协议
- 五. NAT技术
- 六. 代理服务器
-
- 6.1 正向代理
- 6.2 反向代理
- 6.3 代理服务器与NAT的对比
- 七. 补充
-
- 7.1 DNS
- 7.2 ICMP
前言
在数字化时代，计算机网络是信息交互的核心载体，小到个人设备通信，大到全球范围数据传输，都依赖各类网络技术的协同支撑。 本文围绕计算机网络核心技术展开：
期望通过对这些技术的梳理，助力读者理解网络通信原理，以及各技术如何协同构建稳定高效的网络环境。
一. 数据链路层的报头(帧头)
数据链路层是用来解决：让直接相连的主机之间，进行数据交互。
如下是数据链路层的报文：
关于数据链路层的报头结构比较简单：
在数据进行跨网段传输的过程中，不能直接将数据交给对方，而需要先将数据交给路由器，有路由器向外进行交付，因此跨网段传输报文肯定需要多次跳转。
那么在跨网段传输中，如何知道将当前报文交付给局域网中的那一台主机，即如何知道下一跳的IP地址？？？
此时就需要使用路由表。
二. 路由表
在每一台主机中都有一个自己的路由表，路由表是用来指引报文下一跳的位置的。
在Linux中可以通过route来查看路由表的信息： 
主机获取下一跳的IP地址思路：
根据上面的路由表，我们可以大致总结出，主机A将数据跨网段传输给主机B要经历的主要步骤：
根据上面的6个步骤，我们可以看出：Mac地址只在局域网中有效，经过路由器会将报文的Mac地址进行重新封装。
三. MTU与MSS
- 局域网中，主机越多，向网络中的发送的数据可能就越多，因此发生数据碰撞的概率就越大；
- 同样，如果向网路中发送的数据越大，发送数据碰撞的概率也就越大。
为了减少数据碰撞的概率，数据链路层规定上层不能依次让我发送过大的数据。
MTU：数据链路层，一次能传输的最大数据帧中有效载荷的大小，即IP数据包的大小；
因此就要求上层要对发送的数据进行处理，如果数据少，可以直接交给数据链路层进行发送；如果数据过大，就需要进行切片再发送给下层。
此时再根据IP网络层我们也就能理解，为什么TCP在发送数据的时候要进行分段发送：
MSS：TCP协议层，一次能传输的最大有效载荷的大小。 在TCP的三次握手中，双方就会协商MSS的大小。
所谓的数据发送到网络中实际上就是：让数据在无数个局域网中进行传输。
在上面我们已经介绍了：如何获得下一跳的IP地址，以及跨网段传输的相关流程。但是还有一个问题没有说：局域网中进行传输用的是Mac地址，如何将下一跳的IP地址转化为Mac地址？？？
此时就需要ARP协议来完成。
四. ARP协议
ARP协议属于数据链路层协议，用于在局域网中，将目标主句的IP地址，转化为Mac地址。
ARP协议原理：
以上的请求就是arp请求，对应的应答就是arp应答。 下面介绍以下arp请求/应答的报文结构：
- 在数据链路层的报头中也不知道以太网目的地址，也填写全F，表示该报文是广播，所有主机都接收。
- 帧类型，填写0806表示该报文是一个ARP请求或ARP应答。
根据上面的介绍，我们也可以总结以下主机如何根据IP地址获取Mac地址：
在ARP过程中，收到的任何ARP报文都需要先查看OP，来看是ARP请求还是应答。
如果每次在进行数据传输时，都进行ARP请求就会导致耗时耗力，因此一般主机内会将其他主机的IP地址与对应的Mac地址存储起来，属于临时存储，可能会过期； 通过arp -a可以查看当前主机从缓存的其他主机的IP和Mac地址：
对原来步骤的补充：
根据第二条性质，这就可能会导致ARP中间人攻击，以及ARP欺骗：
ARP欺骗： 
- 此时欺骗者拿到PC1的数据之后，可以直接将其丢弃，此时PC1就断网了，不能再将数据发送到外网中了；
- 欺骗者也可以修改网关中PC1的IP与Mac地址的映射，此时PC1发送给网关的数据发送到了欺骗者这里，同样网关给PC1的数据也到欺骗者这里了；此时欺骗者可以将数据发送给双方，但是双方并不知道用改中间人的存在。
五. NAT技术
在前一篇博客中，我们聊到当今IPv4的地址已经不够用了，所以退出了种种方案来解决，其中NAT技术就是其中之一，此处将会详细解释NAT技术的原理和实现。
- 首先我们要知道IP地址根据类型可以分为两种：共有IP和私有IP；
- 家用路由器可以进行子网的构建，那么全国中一定有多个家用路由器，这些路由器也要构建一个子网才能进行通信，由运营商的路由器进行构建，也就是说家用路由器的另一侧也并不是广域网，而是运营商路由器构建的子网；
- 路由器有两个IP地址，一个是LAN口IP是在路由器所构建的子网中进行使用的，另一个就是WAN口IP，是在运营商所构建的路由器的子网中进行使用的。
我们在进行IP地址查看的时候，看到的都是私有IP，可以通过ifconfig进行查看。
下面举个例子NAT技术是如何解决IP地址不足的问题的： 
如上图所示，现在我们是主机192.168.201/24，现在要访问服务器资源，要进行跨网段传输，因此要经过路由器，在经过路由器的时候，路由器会将源IP进行替换，替换成路由器的WAN口IP。
具体步骤如下：
通过上述对源IP进行替换的操作，使得我们的私有IP只会在家用路由器所构建的子网中进行使用，这就允许了不同的子网中主机可以使用相同的IP地址进行标识，使得IP地址可以重复使用，进而减缓了IP地址不足的问题。
以上这种将私有IP不断进行替换的技术，被称为NAT技术。
根据上面的描述，又出现了另一个问题，就是路由器将源IP进行替换了，那如果服务器要发送应答的时候，它只能找到最外侧的路由器，那这个路由器又是如何定位我的位置的呢？？？
在NAT路由器内部有一张转发表，记录了子网发送数据的源IP，源端口号，以及更改后的IP，端口号的映射关系，这张表被称为NAPT。
通过这张表，当服务器发送回响应的时候，路由器进行查表来看发送到子网中的哪一个IP地址，以及端口号。
我们能否直接区访问另一个子网中的其他主机？？？
像我们在微信，QQ上进行聊天的时候，数据要先发送给腾讯的服务器，再由服务器发送给接收方。
如果我们像然内网中的两台主机进行通信，理论上也可以采用这种方式，通过一台具有公网IP的“中间服务器”，在两个设备之间建立一条通信的通道，这种方式被称为内网穿透。
六. 代理服务器
“代理” 的本质是 “中间人” —— “代理服务器” ，介于 “发起请求的客户端” 和 “提供服务的目标服务器” 之间，负责转发两者的请求与响应，所有数据都必须经过代理服务器中转。
6.1 正向代理
正向代理的核心是 “代理客户端” —— 它为客户端服务，帮助客户端访问 “客户端自己无法直接访问的目标服务器”，且只有客户端知道代理的存在，目标服务器不知道真实客户端是谁。
正向代理的典型流程：
- 客户端（知道代理） → 正向代理服务器 → 目标服务器（只知道代理，不知道客户端）。
最常见的就是
- VPN：突破网络限制，访问境外网站，客户端通过正向代理绕过地域封锁；
- 校园内网：要求所有请求先经过正向代理（便于过滤不良网站、记录访问日志）；
6.2 反向代理
反向代理的核心是 “代理目标服务器” —— 它为后端的目标服务器服务，客户端不知道代理的存在，以为自己直接访问的是 “目标服务器”，但实际上所有请求都先到反向代理，再由代理转发给后端真实服务器。
反向代理的典型流程：
- 客户端（不知道代理，以为访问的是目标服务器） → 反向代理服务器 → 后端真实服务器（隐藏在代理后）。
常见应用场景
- 负载均衡：比如大型网站（如淘宝、京东）背后有几百台后端服务器，反向代理将客户端请求均匀分配到不同服务器，避免单台服务器过载（比如 1000 个请求分给 10 台服务器，每台处理 100 个）；
6.3 代理服务器与NAT的对比
代理服务器在行为上好像和NAT是一样的，都是将报文进行转发，往外进行发送。
七. 补充
7.1 DNS
我们所使用的IP地址都是4字节的整数，不好进行记忆，一次引入了域名来替代IP地址。
当我们适用于域名来进行网站的访问的死活，要先将域名转化为IP地址以及端口号才行。
在浏览器中都内置了DNS服务区的ip地址，因此要进行url地址访问之前，要向访问DNS服务器将域名转化为IP地址和端口号才行。
7.2 ICMP
ICMP是工作在网络层上的一种协议：它并不是用于 “传输用户数据” 的协议，而是 TCP/IP 协议族中负责网络控制、错误报告、故障诊断的 “辅助协议”，是用来验证网络的连通性的。
ICMP协议向对方主机发送一个报文，如果出现问题，也会进行应答，会返回一个报文告诉源主机传输错误的原因。
我们常用的ping 命令就是基于ICMP实现的，用来检测主机连通性。
在进行面试的时候，经常会有这样的一道题：telnet用23端口，ssh用22端口，那么ping用几号端口？？？
ping是基于ICMP协议的，属于网络层，而端口号是传输层的概念，因此ping根本就不关心端口号这样的信息。
traceroute命令，也是基于ICMP实现的，是一款核心的网络诊断工具，主要用于追踪数据包从本地设备到目标主机（如某个网站、服务器）的完整传输路径，并记录路径中每一个 “中间节点”（通常是路由器）的信息：!
