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网络技术

物理层

链路层

链路层提供“信道”，各段链路组成端到端的通信路径。有两种信道：

  • 广播信道：多个发送和接收节点连接到相同、单一、共享广播信道上。以太网 Ethernet 和无线局域网 WLAN。
  • 点对点通信链路：单个发送和接收方。点对点协议 PPP。

概述

基本概念：

  • 帧 Frame
  • MAC 媒体访问控制 Medium Access Control
  • 多路访问协议 multiple access protocol
    • 信道划分协议 channel partitioning protocol
      • 时分多路复用 Time Division Multiplexing
      • 频分多路复用 Frequency Division Multiplexing
      • CDMA 码分多址 Code Division Multiple Access：具有不同节点能够同时传输的特性
    • 随机接入协议 random access protocol：全速发送，碰撞重传，随机等待
      • CSMA 载波侦听多路访问 Carrier Sense Multiple Access
      • CSMA/CD 具有碰撞检测的载波侦听多路访问 CSMA with Collision Detection
    • 轮流协议 taking-turns protocol
      • 轮询协议 polling protocol：主节点轮询决定
        • 蓝牙
      • 令牌传递协议 token-passing protocol
  • MAC 地址 MAC address
    • 6 字节
    • IEEE 管理 MAC 地址空间，分配前 24 比特
    • 广播地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF

实现：

  • NIC 的核心是链路层控制器。比如有线网卡实现以太网控制器、无线网卡实现 802.11 WiFi 协议。

Ethernet

Quote

Ethernet 以太网

以太网向网络层提供无连接、不可靠服务。

以太网技术

以太网不是单一协议标准，而是有多种技术：

  • 10BASE-T
  • 100BASE-T
  • 1000BASE-LX
  • 10GBASE-T

这些技术被 IEEE 802.3 标准化。

以太网历史

  • 早期以太网采用总线型拓扑，同轴电缆总线连接各节点
  • 20 世纪 90 年代采用基于集线器的星形拓扑，集线器位于物理层，重新生成比特并向所有接口传输
  • 21 世纪以来采用基于存储转发分组交换机的星形拓扑

现代交换机是全双工的，任何时候绝不会向相同接口转发超过一个帧。在这种局域网中，不需要使用 MAC 协议。

以太网帧格式才是以太网标准一个真正重要的特征。

存储转发分组交换机

  • 过滤 filtering：决定转发到某个接口还是丢弃
  • 转发 forwarding：决定帧转发到哪个接口

这些功能基于交换机表 switch table，表项包含：MAC 地址、对应接口、放置时间。交换机表通过自学习建立。

虚拟局域网 VLAN

由 802.1Q 扩展以太网帧格式定义。

PPP

PPP 点对点协议 Point-to-Point Protocol

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PPP 诞生的目的是为了封装三层网络协议，使得两个节点之间的通信可以跨越不同的物理链路。

PPP 组成部分

PPP 由两个部分组成：

  • LCP 链路控制协议 Link Control Protocol：
    • 建立、配置、测试链路
    • 包括认证、错误检测、多路复用、环回检测等功能
  • NCP 网络控制协议 Network Control Protocol：配置网络层协议
ppp_arch ppp_arch_2
PPP 协议栈
Wikipedia, Huawei

PPP 帧格式

ppp_frame
PPP 帧格式
GeeksforGeeks

LCP

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LCP 链路控制协议 Link Control Protocol

当 PPP 帧 Protocol 字段为 0xC021 时，表示 LCP 协议。

ppp_lcp
PPP LCP 时序图
The TCP/IP Guide
ppp_lcp_2
PPP LCP 状态图
The TCP/IP Guide

PPP 建链过程

ppp_link
PPP 链路建立过程
Huawei

PPP 运行的过程简单描述如下：

  1. 通信双方开始建立 PPP 链路时，先进入到 Establish 阶段。
  2. 在 Establish 阶段，PPP 链路进行 LCP 协商。协商内容包括工作方式是 SP（Single-link PPP）还是 MP（Multilink PPP）、最大接收单元 MRU（Maximum Receive Unit）、验证方式和魔术字（magic number）等选项。LCP 协商成功后进入 Opened 状态，表示底层链路已经建立。
  3. 如果配置了验证，将进入 Authenticate 阶段，开始 CHAP 或 PAP 验证。如果没有配置验证，则直接进入 Network 阶段。
  4. 在 Authenticate 阶段，如果验证失败，进入 Terminate 阶段，拆除链路，LCP 状态转为 Down。如果验证成功，进入 Network 阶段，此时 LCP 状态仍为 Opened。
  5. 在 Network 阶段，PPP 链路进行 NCP 协商。通过 NCP 协商来选择和配置一个网络层协议并进行网络层参数协商。只有相应的网络层协议协商成功后，该网络层协议才可以通过这条 PPP 链路发送报文。
  6. NCP 协商包括 IPCP（IP Control Protocol）、MPLSCP（MPLS Control Protocol）等协商。IPCP 协商内容主要包括双方的 IP 地址。
  7. NCP 协商成功后，PPP 链路将一直保持通信。PPP 运行过程中，可以随时中断连接，物理链路断开、认证失败、超时定时器时间到、管理员通过配置关闭连接等动作都可能导致链路进入 Terminate 阶段。
  8. 在 Terminate 阶段，如果所有的资源都被释放，通信双方将回到 Dead 阶段，直到通信双方重新建立 PPP 连接，开始新的 PPP 链路建立。

CHAP

CHAP 挑战 - 应答认证协议 Challenge-Handshake Authentication Protocol

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CHAP 验证协议为三次握手验证协议。它只在网络上传输用户名，而并不传输用户密码，因此安全性要比 PAP 高。

ppp_chap
CHAP 的验证过程
Huawei

IPCP

IP 控制协议 IP Control Protocol

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IPCP 是 PPP 的一个 NCP，用于配置 IPv4 协议。协商内容包括 IP 地址、DNS 服务器地址等。

ppp_ipcp
IPCP 的协商过程
The TCP/IP Guide

链路层和网络层间：ARP

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ARP 地址解析协议 Address Resolution Protocol

arp
ARP 时序图
The TCP/IP Guide

ARP 类型

  • 动态 ARP：通过 ARP 报文生成和维护
  • 静态 ARP：手动配置，不会被动态 ARP 覆盖
  • 免费 ARP：主动使用自己的 IP 地址作为目的地址发送 ARP 请求
    • IP 地址冲突检测
    • 通告新 MAC 地址

ARP 代理

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一般情况下，不应当开启 ARP 代理

  • 开启 ARP 代理说明网段/广播域划分或路由功能有问题
  • 可能造成不希望的流量传输，容易遭受 ARP 欺骗攻击

常见三类 Proxy ARP 的场景如下：

  • 路由式 Proxy ARP：设备没有配置默认网关，与在同一网段却不在同一物理网络上的设备通信
  • VLAN 内 Proxy ARP：VLAN 内配置了端口隔离，用户间需要三层互通
    • 端口隔离是通过 Switch 的接口在接收到目的地址不是自己的 ARP 请求报文后立即丢弃实现的
  • VLAN 间 Proxy ARP：相同网段但属于不同的 VLAN，用户间要进行三层互通

网络层：控制平面

路由

路由协议

SDN

网络层：数据平面

IPv4

IPv6

传输层

TCP

UDP

会话层

SSL/TLS

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tls

TLS 传输层安全 Transport Layer Security

SSL 安全套接层 Secure Sockets Layer

TLS 构建于并取代现已废弃的 SSL 协议，用于保护网络通信的安全性。

应用层