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网卡(Network Interface Card#xff0c;简称NIC)#xff0c;也称网络适配器。 OSI模型#xff1a; 1、网卡工作在OSI模型的最后两层#xff0c;物理层和数据链路层。物… 目录 网卡IP网络地址主机地址子网子网掩码网关默认网关 MACARPARP抓包分析 路由器NATNAPT 交换机 网卡
网卡(Network Interface Card简称NIC)也称网络适配器。 OSI模型 1、网卡工作在OSI模型的最后两层物理层和数据链路层。物理层的芯片称之为PHY数据链路层的芯片称之为MAC控制器。 2、物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等并向数据链路层设备提供标准接口。 3、数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。 网卡混杂模式 混杂模式就是接收所有经过网卡的数据包包括不是发给本机的包即不验证MAC地址。普通模式下网卡只接收发给本机的包包括广播包传递给上层程序其它的包一律丢弃。 连接方式PCI总线接MAC总线MAC通过MII接PHYPHY通过变压装器接网线。
网卡接收数据流程 网卡接收到一个数据包根据目的MAC地址判断是不是发给自己的如果不是则将丢弃该数据包。
IP
IP(Internet Protocol)位于OSI模型的网络层。IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。
1、IP地址 网络地址 主机地址又称网络号和主机号2、我们把网络号相同的主机称之为本地网络中的主机网络号不相同的主机称之为远程网络中的主机。3、本地网络中的主机可以直接相互通信远程网络中的主机要相互通信必须通过本地网关Gateway来传递转发数据。
IP地址主要有A、B、C、D、E五类地址 A类由1字节的网络地址和3字节主机地址组成网络地址的最高位必须是“0”网络地址全为0的地址被保留使用。地址范围是1.0.0.0 到 127.255.255.255主要分配给大量主机而局域网网络数量较少的大型网络 B类由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成网络地址的最高两位必须是“10”。地址范围是128.0.0.0 到191.255.255.255一般用于国际性大公司和政府机构 C类由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成网络地址的最高位必须是“110”。地址范围是192.0.0.0 到223.255.255.255用于一般小公司校园网研究机构等 D类第一个字节由“1110”开始。全零(“0000”)地址对应于当前主机。全“1”的IP地址(“255255255255”)是当前子网的广播地址。地址范围是224.0.0.0 到 239.255.255.255又称做广播地址因此任何第一个字节大于223小于240的IP地址是多点播送地址。 E类由“11110”开始地址范围是240.0.0.0 到255.255.255.255暂时保留。
网络地址
计算网络地址就是判断网络中的计算机在不在同一网络在就能通不在就不能通需要借助本地网关的帮助。
将IP地址和子网掩码全部转换为二进制形式然后二者逐位相与的结果就是网络地址。
IP十进制192.168.1.1
IP二进制11000000 10101000 00000001 00000001子网掩码十进制255.255.255.0
子网掩码二进制11111111 11111111 11111111 00000000网络地址 IP 子网掩码
网络地址二进制11000000 10101000 00000001 00000000
网络地址十进制192.168.1.0主机地址
IP与子网掩码的非的结果相与就是主机地址。
IP十进制192.168.1.1
IP二进制11000000 10101000 00000001 00000001子网掩码十进制255.255.255.0
子网掩码二进制11111111 11111111 11111111 00000000主机地址 IP (~子网掩码)
主机地址二进制00000000 00000000 00000000 00000001
主机地址十进制0.0.0.1
子网
为了确定网络区域分开主机和路由器的每个接口从而产生了若干个分离的网络岛这些独立的网络岛叫做子网(subnet)。
子网掩码
子网掩码的表示方法 1点分十进制表示法 二进制转换十进制每8位用点号隔开。
例如子网掩码二进制11111111.11111111.11111111.00000000表示为255.255.255.0
2CIDR斜线记法 IP地址/n 例1192.168.1.100/24其子网掩码表示为255.255.255.0二进制表示为11111111.11111111.11111111.00000000 例2172.16.198.12/20其子网掩码表示为255.255.240.0二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000
不难发现例1中共有24个例2中共有20个所以n是这么来的。运营商ISP常用这样的方法给客户分配IP地址。
注n为1到32的数字表示子网掩码中网络号的长度通过n的个数确定子网的主机数2(32-n)-2-2的原因主机位全为0时表示本网络的网络地址主机位全为1时表示本网络的广播地址这是两个特殊地址。
为什么要使用子网掩码 子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址。如果两台主机要通信首先要判断是否处于同一网段即网络地址是否相同。如果相同那么可以把数据包直接发送到目标主机否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。
可以这么简单的理解A主机要与B主机通信A和B各自的IP地址与A主机的子网掩码进行and运算看得出的结果
结果如果相同则说明这两台主机是处于同一个网段这样A可以通过ARP广播发现B的MAC地址B也可以发现A的MAC地址来实现正常通信。如果结果不同ARP广播会在本地网关终结这时候A会把发给B的数据包先发给本地网关网关再根据B主机的IP地址来查询路由表再将数据包继续传递转发最终送达到目的地B。
子网掩码的分类 1缺省子网掩码 也叫默认子网掩码即未划分子网对应的网络号的位都置 1 主机号都置 0 。
未做子网划分的IP地址网络号主机号则
A类网络缺省子网掩码 255.0.0.0用CIDR表示为/8B类网络缺省子网掩码 255.255.0.0用CIDR表示为/16C类网络缺省子网掩码 255.255.255.0用CIDR表示为/24
2自定义子网掩码
将一个网络划分子网后把原本的主机号位置的一部分给了子网号余下的才是给了子网的主机号。其形式如下 做子网划分后的IP地址网络号子网号子网主机号举个例子
192.168.1.100/25其子网掩码表示255.255.255.128意思就是将192.168.1.0这个网段的主机位的最高1位划分为了子网。
网关
计算机的网关Gateway就是到其他网段的出口也就是路由器接口IP地址。
路由器接口使用的IP地址可以是本网段中任何一个地址不过通常使用该网段的第一个可用的地址或最后一个可用的地址这是为了尽可能避免和本网段中的主机地址冲突。
在如下拓扑图示例中A与BC与D都可以直接相互通信都是属于各自同一网段不用经过路由器但是A与CA与DB与CB与D它们之间不属于同一网段所以它们通信是要经过本地网关然后路由器根据对方IP地址在路由表中查找恰好有匹配到对方IP地址的直连路由于是从另一边网关接口转发出去实现互连。
默认网关
默认网关地址是主机位除了最后一位全置1后得到的。
假设现有一个ip地址为193.6.7.0/24根据网络前缀24可知前24位为网络位后8位为主机位因此该网络的默认网关地址就是IP地址193.6.7.11111110加粗的部分为网络位换算成十进制数即193.6.7.254/24。
一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关就把数据包发给默认指定的网关由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关一般指的是默认网关。一台电脑的默认网关是不可以随随便便指定的必须正确地指定否则一台电脑就会将数据包发给不是网关的主机从而无法与其他网络的主机通信。默认网关的设定有手动设置和自动设置两种方式。
1手动设置 手动设置适用于电脑数量比较少、TCP/IP 参数基本不变的情况比如只有几台到十几台电脑。因为这种方法需要在联入网络的每台电脑上设置“默认网关”非常费劲一旦因为迁移等原因导致必须修改默认网关的 IP 地址就会给网管带来很大的麻烦所以不推荐使用。
需要特别注意的是默认网关必须是电脑自己所在的网段中的 IP 地址而不能填写其他网段中的 IP 地址。
2自动设置
自动设置就是利用 DHCPDynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议服务器来自动给网络中的电脑分配 IP 地址、子网掩码和默认网关 。这样做的好处是一旦网络的默认网关发生了变化时只要更改了 DHCP 服务器中默认网关的设置那么网络中所有的电脑均获得了新的默认网关的 IP 地址。这种方法适用于网络规模较大、TCP/IP 参数有可能变动的网络。另外一种自动获得网关的办法是通过安装代理服务器软件如MS Proxy的客户端程序来自动获得其原理和方法和 DHCP 有相似之处。
MAC
MAC地址Media Access Control Address网卡硬件地址用于在网络中唯一标示一个网卡长度6字节由IEEE协会分配网络设备制造商生产时写在硬件内部。
MAC地址由48位二进制数6个字节组成通常表示为6位十六进制数格式为XX-XX-XX-XX-XX-XX。如00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址其中前3个字节16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配而后3个字节16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。
ARP
地址解析协议(Address Resolution ProtocolARP),建立32位IPv4地址与以太网的48位MAC地址之间的映射位于OSI模型的数据链路层。
ARP映射表记录了IP地址和MAC地址的映射关系。每一台主机和路由器都设有ARP映射表在实际传输中通常已知下一跳的目的IP地址通过查询ARP映射表即可知道对应的MAC地址。
ARP协议结构总长度28字节。
硬件类型Hardware Type表示网络类型常见值为1表示以太网2字节。协议类型Protocol Type表示所使用的协议类型IPv4的值为0x08002字节。硬件地址长度Hardware Address Length通常为6表示MAC地址长度为6字节1字节。协议地址长度Protocol Address Length通常为4表示IPv4地址长度为4字节1字节。操作码Opcode操作码为1表示ARP请求操作码为2表示ARP应答2字节。发送方硬件地址Sender Hardware Address发送方的MAC地址6字节。发送方协议地址Sender Protocol Address发送方的IP地址4字节。目标硬件地址Target Hardware Address目标主机的MAC地址在ARP请求时为空6字节。目标协议地址Target Protocol Address目标主机的IP地址4字节。
ARP映射表建立 1、初始映射表为空。 2、源主机已知下一跳目的IP地址想知道下一跳的MAC地址。 3、源主机广播ARP请求包含源IP、源MAC、目的IP广播到本地网络所有主机(源主机和目的主机在同一网络)。 4、目的主机收到ARP请求后检测目的IP地址是否和本机IP一致不一致则丢弃。 5、如果一致先把ARP请求中源IP源MAC保存在本机的ARP表给源主机回复ARP响应单播告知源主机自己的MAC地址。 6、如果源主机和目的主机不在同一个网络通过路由器查找路有表把目的主机IP转换为下一跳IP再通过ARP协议将下一跳的IP转换为对应的MAC。 windows查询arp表
arp -alinux查询arp表
arp -nARP抓包分析
使用Wireshark工具抓取ARP协议的数据包输入arp过滤下图截取两条arp包第一个包是ARP请求包第二个包是ARP响应包请求和响应的协议结构一致部分字段取值不同。 xiaodu设备发了ARP请求广播询问192.168.3.135主机的MAC地址135主机也就是抓包的主机回复ARP响应。
展开ARP请求包 看几个关键点
arp请求包以太头的目的MAC地址Destination: Broadcast (ff:ff:ff:ff:ff:ff)在局域网广播。以太头类型ARP(0X0806)。Opcode操作码是1代表ARP请求。Target MAC address目的MAC为空希望目标响应的MAC地址。
展开ARP响应包 关键点
以太头的目的MAC是ARP请求端xiaodu设备的MAC不再是广播。Opcode操作码是2代表ARP响应。源MAC地址也就是ARP请求想要获取的MAC地址。
路由器
路由器Router是连接两个或多个网络的硬件设备在网络间起网关的作用路由器工作在网络层根据目的IP进行数据转发。
具有相同网络地址的IP地址计算机之间可以直接通信如果想要与其他网段的计算机进行通信则必须经过路由器转发出去。
当IP数据包到达路由器时路由器先查看目的IP地址然后决定是直接发送目的主机还是转发给下一个路由器。
WANWide Area Network接口是路由器上用于连接到互联网或其他广域网的接口。LANLocal Area Network接口是路由器上用于连接内部网络设备的接口。通过LAN接口连接多个网络设备形成一个局域网局域网内设备可以相互通信。
NAT
NAT(Network Address Translation网络地址转换)是路由器的重要功能是解决IP地址不够用的主要手段。
路由器LAN口连接主机当对外网通信IP数据包到达路由器时路由器把源IP替换成WAN口IP如果有多级路由器则逐级替换最终数据包中的源IP成为一个公网IP,这种技术称为NAT。NAT映射表当局域网第一次访问外网时局域网IP和外网IP记录到映射表当路由器收到外网数据时根据映射表把数据包目标IP修改为局域网IP并转发到主机。NAT缺点NAT是一对一的IP转换不能满足多个局域网IP同时使用一个公网IP访问外网的需求。
NAPT
NAPTNetwork Address Port Translation即网络地址端口转换克服了NAT的缺点NAPT也被称为“多对一”的NAT。
NAPT与NAT的区别在于NAPT不仅转换IP包中的IP地址还对IP包中TCP和UDP的Port进行转换。这使得多台局域网主机利用1个NAT公共IP就可以同时和公共网进行通信。当局域网主机访问外网的IP数据包到达路由器时NAPT网关会把源IP替换为NAPT的公网IP同时将源Port转换为NAT动态分配的1个Port然后转发到公共网。当公网响应的IP包到达NAPT网关时NAPT会将IP包的目的IP转换成局域网主机的IP同时将目的Port转换为局域网主机的Port然后把IP包转发到局域网。对于通信双方而言这种转换是透明的缺点在于其通信仅限于TCP或UDP。
在路由器将数据包转发到下一个网络时它会更改源MAC地址为当前接口的MAC地址并更新目标MAC地址为下一个接口的MAC地址以确保数据包在不同网络之间正确地转发和传输。
也就是说经过路由器的IP包MAC、IP、PORT都有可能改变。
交换机
交换机工作与OSI第二层数据链路层。 在交换机维护端口与MAC地址映射表记录了端口下包含主机的MAC地址。端口地址表是交换机上电后自动建立的保存在RAM中并且自动维护。
交换机功能
1、自学习交换机通过广播等自动学习的方式获取每个端口对应的MAC地址建立映射表。2、转发和过滤当一个数据帧的目的MAC地址在MAC地址表中有映射时它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口。3、消除回路当交换机包括一个冗余回路时以太网交换机通过生成树协议STP避免回路的产生同时允许存在后备路径。
自学习流程
1、假设ABCD4个主机分别接入交换机1324端口上。2、A向B发送数据帧从端口1进入交换机交换机查询映射表没有查到从哪个端口转发该帧交换机会把A的MAC地址和端口1写入映射表并在其他所有端口广播数据帧。3、C和D收到数据帧直接丢弃因为目的MAC不匹配B正确接收数据帧。4、如果此时B向A发送数据帧交换机查询映射表发现有A的MAC地址于是把数据帧从端口1转发给A不再广播此时交换机也建立了B的MAC与端口3的映射。
设备通过交换机直连彼此之间一定要在同一网段否则必须要用路由器进行转发。因此不同的网段之间才需要路由器转发。
