计算机网络核心笔记

计算机网络核心笔记

计算机连接

• 计算机之间通信需要知道对方的 IP 地址，并最终通过 MAC 地址（网卡地址），输送数据到网卡，由网卡判断接收（非目标 MAC 地址将丢弃数据）。
• 两台计算机直接连接需要交叉线（非直通线）。
• 冲突域（Collision Domain）：在同一个冲突域中，一个节点发送的帧将可以到达任意一个节点。
• 广播域（Broadcast Domain）：在同一个广播域中，一个节点可以通过广播的方式到达任意一个节点。
• 冲突域一般来说小于或者包含在广播域中。
• 网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机连接的设备必须在同一网段，且连接的设备处在同一广播域。

Reference

MAC 地址

• MAC 地址，全称 Media Access Control Address，译为媒体访问控制地址。
• MAC 地址 共 6 个字节，即 48 位，以十六进制表示；其中前三个字节为组织唯一表示符号（OUI），由 IEEE 的注册管理机构分配给厂商；后三个字节为网络接口标识符（NIC），由厂商自行分配。
• 当 MAC 地址 48 位全为 1 时，代表广播地址，即 FF:FF:FF:FF:FF:FF。

Reference

• MAC address - Wikipedia

ARP 协议

• ARP，全称 Address Resolution Protocol，译为地址解析协议，用于通过 IP 地址获取 MAC 地址。
• RARP，全称 Reverse Address Resolution Protocol，译为逆地址解析协议，用于将 MAC 地址转换为 IP 地址，后被 BOOTP、DHCP 取代。
• ARP 的获取结果将会缓存为 IP 地址与 MAC 地址的映射，即 ARP 缓存。
• 通过 ARP 广播获取的 MAC 地址属于动态（Dynamic）缓存，存储时间较短（默认 2 分钟），过期将自动删除；手动设定（arp -s）的则为静态。
• ARP 与 RARP 均位于参考模型中的网络层。

➜  ~ arp
usage: arp [-n] [-i interface] hostname
       arp [-n] [-i interface] [-l] -a
       arp -d hostname [pub] [ifscope interface]
       arp -d [-i interface] -a
       arp -s hostname ether_addr [temp] [reject] [blackhole] [pub [only]] [ifscope interface]
       arp -S hostname ether_addr [temp] [reject] [blackhole] [pub [only]] [ifscope interface]
       arp -f filename

➜  ~  arp -nla
Neighbor                Linklayer Address Expire(O) Expire(I)    Netif Refs Prbs
169.254.33.244          14:2d:27:f1:27:7b expired   1m38s          en0    2
192.168.199.1           d4:ee:7:5b:22:96  2m54s     2m54s          en0    1

详见 ICMP 一节 ping 的过程。

ARP 欺骗

TODO.

Reference

ICMP 协议

• ICMP，全称 Internet Control Miressage Protocol，译为互联网控制消息协议。
• IPv4 中的 ICMP 被称作 ICMPv4，IPv6 中的 ICMP 则被称作 ICMPv6。
• ICMP 常用于返回错误信息，比如 TTL 值过期、目标不可达；我们熟悉的 ping 命令本质就是使用了 ICMP 以探测主机是否可以通信。
• ICMP 也位于参考模型中的网络层。

ping 的过程

这里我们尝试 ping 一台位于同一个 Wi-Fi 局域网下的 iPhone 的 IP。在开始 ping 之前，首先需要打开 Wireshark（m1 芯片的 Mac 也可正常使用 Intel 版本的 Wireshark）并开启抓包，并在命令行中查询 ARP 缓存是否已经记录了这台 iPhone IP 的 MAC 地址，如果已经记录了，我们可以使用 sudo arp -d 命令强制删除记录：

➜  ~ arp -nla | grep 192.168.199.138
192.168.199.138         8a:3b:15:74:f5:3f 1m50s     1m51s          en0    1

➜  ~ sudo arp -d 192.168.199.138
192.168.199.138 (192.168.199.138) deleted

➜  ~ arp -nla | grep 192.168.199.138

接下来我们使用 ping 命令，并在 3 次后停止 ping 和 Wireshark 抓包，并再次查询 ARP 缓存：

➜  ~ ping 192.168.199.138
PING 192.168.199.138 (192.168.199.138): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.199.138: icmp_seq=0 ttl=64 time=63.348 ms
64 bytes from 192.168.199.138: icmp_seq=1 ttl=64 time=175.668 ms
64 bytes from 192.168.199.138: icmp_seq=2 ttl=64 time=8.581 ms
^C
--- 192.168.199.138 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 8.581/82.532/175.668/69.549 ms

➜  ~ arp -nla | grep 192.168.199.138
192.168.199.138         8a:3b:15:74:f5:3f 2m39s     2m39s          en0    1

整体的流程如下图：

我们也可以在 Wireshark 中看到这一过程（左 ARP，右 ICMP）：

Reference

• IP 地址，全称 Internet Protocol Address，互联网上的每一个主机都有一个 IP 地址。
• IP 地址分为两个版本，IPv4 与 IPv6；IPv4 使用 32 位（4 字节）地址，地址空间共计 232 个地址；IPv4 使用 128 位（16 字节）地址，地址空间共计 2128 个地址；未明确情况下，本文提及 IP 默认为 IPv4 内容。
• IP 地址由两部分组成，网络标识（网络 ID）、主机标识（主机 ID），可以通过子网掩码（Subnet Mask）得知网络 ID、主机 ID。
• 同一网段的计算机，网络 ID 相同；主机所在网段 = IP 地址 & 子网掩码（规律：按位和 1 与，则保持原值，和 0 与则为 0）。
• 计算机之间通信时，会先判断目标主机和自己是否在同一网段（⚠️：使用自身的子网掩码计算）：若位于同一网段：不需要由路由器进行转发；若位于不同网段，交由路由器（网关）进行转发。

以我的 MacBook 的 IP 地址与子网掩码为例，计算如下：

          192.      168.      199.      200
    1100 0000.1010 1000.1100 0111.1100 1000

          255.      255.      255.      0
    1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000

    1100 0000.1010 1000.1100 0111.1100 1000
&   1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000
--------------------------------------------
    1100 0000.1010 1000.1100 0111.0000 0000
          192.      168.      199.        0

即我的 MacBook 的 IP 地址 192.168.199.200 中 1100 0000 1010 1000 1100 0111 为网络 ID，1100 1000 为主机 ID，该 IP 地址属于 192.168.199.0 网段。

IP 地址的分类：

• IP 地址前 8 位全 0 以及除首位全 1 作为保留网段也不可使用，其中 127.0.0.1 是本地环回地址（Loopback），代表本机地址。
• 计算最大可容纳主机数时，主机 ID 部分全 1（广播地址）和全 0（网段）不可分配给主机，因此均需要 - 2。

Reference

• CIDR，全称 Classless Inter-Domain Routing，译为无类别域间路由。
• 子网掩码的 CIDR 表示方法：192.168.199.200/24，表示该 IP 地址的子网掩码前 24 位为 1，即 255.255.255.0。

• 目的：避免浪费 IP 地址资源。
• 原理：借用主机位作为子网位，划分出多个子网。
• 等长子网划分（Fixed Length Subnet Mask）：每个子网的可用 IP 地址数量相同。

• 变长子网划分（Variable Length Subnet Mask）：每个子网的可用 IP 地址数量不同，子网掩码也不同。
• 规律：若子网段地址范围是原网段的 (1/2)^n，那么该子网的子网掩码在原网段的子网掩码上增加 n 个 1（二进制）。

• 与子网划分相反，合并网段指将多个连续网段合并为一个网段，合并后的网段称作超网（Supernetting）。
• 判断子网还是超网：根据 IP 地址的分类，若其子网掩码位数比默认多，则为子网，反之超网（eg. 25.100.0.0/16 是 A 类子网）。
• 规律：当 2^k=n (k>=1)，子网掩码左移动 k 位可以合并 n 个网段。

Reference