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【JavaEE】数据链路层协议和DNS

article 2024/11/19 21:11:00

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🔥专栏：【Java】登神长阶史诗般的Java成神之路

👜一.以太网

以太网（Ethernet）是一种局域网技术，它定义了开放系统互连（OSI）模型中的物理层和数据链路层的规范。以太网是目前最广泛使用的有线网络技术之一，支持不同类型的计算机和其他设备之间的通信。

工作原理

CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）：这是原始以太网的核心机制，允许所有设备共享同一物理媒介。当一个设备想要发送数据时，它会先监听信道是否空闲；如果空闲，则开始发送。如果有两个或更多设备同时尝试发送，就会发生碰撞，这些设备随后会在随机等待一段时间后重新尝试发送。
帧结构：数据是以帧的形式进行封装的，每个帧包含源地址、目的地址、类型/长度字段、实际数据以及校验序列（如CRC）来确保数据完整性。

帧格式

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP，ARP，RARP
帧末尾是CRC校验码

👔二.MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address）是一种用于标识网络设备硬件的唯一地址。它在数据链路层（OSI模型中的第二层）上工作，主要用于局域网通信。每个网络接口卡（NIC）或任何其他具有网络功能的设备都有一个唯一的MAC地址。

结构

一个标准的MAC地址由6个字节（48位）组成，通常以十六进制表示，（IP地址4个字节）并用冒号或连字符分隔每两个十六进制数字。例如：00:1A:2B:3C:4D:5E 或 00-1A-2B-3C-4D-5E。MAC地址还可以作为设备的身份标识

前24位（OUI, Organizationally Unique Identifier）：这部分是组织唯一标识符，由IEEE分配给各个制造商。这使得可以根据MAC地址的前三个字节识别出设备是由哪家公司生产的。
后24位：这部分由设备制造商自行分配，确保了即使是同一制造商生产的所有设备之间，MAC地址也是唯一的。

作用

寻址：在局域网中，MAC地址用于直接寻址和识别通信双方。
过滤：网络设备如交换机可以利用MAC地址进行流量控制和安全过滤，比如基于MAC地址的访问控制列表(ACL)。
转发：在交换式网络中，交换机会学习每个端口上连接设备的MAC地址，并据此构建转发表来决定如何转发数据帧。

静态与动态MAC地址

静态MAC地址：大多数情况下，MAC地址是在制造过程中烧录到设备中的ROM里，不可更改，被称为静态MAC地址。
动态MAC地址：某些高级网络设备支持配置临时的、可更改的MAC地址，这类地址通常存储在RAM中，重启后会丢失。

总之，MAC地址对于保证网络通信的有效性和安全性至关重要，它是网络基础设施的一个基本组成部分。

MAC地址使用在数据链路层，用来实现两个相邻设备的数据转发---微观

IP地址使用在网络层，立足于整个转发流程，进行路径规划---宏观

👕三.MTU

MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是指网络中可以传输的最大数据包大小，单位通常是字节。MTU的概念主要应用于网络层和数据链路层，特别是在IP网络中，它影响着数据如何被分割成更小的部分以适应不同网络路径的限制。

MTU直接和硬件相关，不同的硬件设备，对应了不同的数据链路层协议，对应了不同的MTU

作用

避免分片：当一个较大的数据包需要通过具有较小MTU值的网络时，该数据包会被分割成几个较小的数据包（称为分片）。接收端必须重新组装这些分片才能得到原始数据。这个过程会增加处理开销并可能导致性能下降。因此，设置合适的MTU有助于减少不必要的分片。
提高效率：适当调整MTU可以优化网络性能。如果MTU太小，会导致过多的小数据包在网络上传输，增加了头部信息的比例，从而降低了有效载荷的比例。而如果MTU太大，则可能会导致频繁的分片，同样影响性能。
兼容性：不同的网络技术有不同的默认MTU值。例如，传统的以太网MTU为1500字节，但某些特殊的网络环境如PPPoe、GRE隧道或MPLS可能有更小的MTU。

常见的MTU值

以太网：通常情况下，标准以太网接口的MTU是1500字节。（1.5KB 算是非常小）
PPP (Point-to-Point Protocol)：在使用PPP进行拨号连接时，常见的MTU值为576字节。
PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet)：由于额外的封装，实际可用的MTU通常是1492字节。
Jumbo Frames：为了提高网络吞吐量，在一些高性能网络环境中，可以配置更大的MTU，如9000字节，这种帧被称为“巨型帧”(Jumbo Frames)。

路径MTU发现

路径MTU发现（Path MTU Discovery, PMTUD）是一种机制，用于确定从源到目的地之间的路径上最小的MTU值。这可以帮助发送方正确地设置其数据包大小，避免因中间路由器强制分片而导致的问题。PMTUD通过ICMP（Internet Control Message Protocol）消息来实现，当某个中间路由器发现数据包大于它的出接口MTU时，它会向源主机发送一个ICMP“Packet Too Big”消息，并附带自己的MTU值。

MTU对IP协议的影响

数据包分片

分片必要性：
- 当一个IP数据包从一个具有较大MTU的网络发送到另一个具有较小MTU的网络时，如果数据包的大小超过了目标网络的MTU，那么该数据包必须被分割成更小的数据包，以便能够通过这个网络。
- 这个过程称为分片（fragmentation），每个分片都是原始数据包的一个部分，并且每个分片都有自己的IP头部。
分片过程：
- 在IP头部中，有几个字段用于处理分片：标识符（Identification）、标志（Flags）和片段偏移量（Fragment Offset）。
- 标识符字段是一个16位的数字，它对于所有分片是相同的，这样接收端就可以识别出哪些分片属于同一个原始数据包。
- 标志字段包含三个比特，其中一个比特表示是否还有更多的分片（More Fragments, MF），另外两个比特通常不使用。
- 片段偏移量字段指出了当前分片在原始数据包中的位置，单位是8字节。
分片的影响：
- 分片会增加网络开销，因为每个分片都需要额外的IP头部信息。
- 如果任何一个分片丢失，整个数据包需要重新发送。
- 分片后的数据包可能在网络中经历不同的路径，这可能导致到达顺序混乱，接收端需要进行排序和重组。

重组过程

接收方收到所有分片后，会根据标识符、标志和片段偏移量字段将这些分片重新组合成原始数据包。
重组发生在最终目的地或中间路由器上，但通常是目的地设备执行重组以减少中间路由器的负担。

设置MTU

对于大多数用户来说，不需要手动更改MTU值，因为操作系统和网络设备通常已经设置了合理的默认值。但在特定情况下，比如遇到网络性能问题或是配置特殊类型的网络时，可能需要调整MTU：

在Windows系统中，可以通过命令行工具netsh来修改MTU。
在Linux系统中，可以使用ifconfig或ip命令来设置接口的MTU。
对于网络设备如路由器或交换机，一般可以在设备的管理界面中找到相应的配置选项。

调整MTU时应当谨慎，因为它会影响到整个网络的表现。在进行任何更改之前，最好先进行测试以确保不会引起其他问题。

🧣四.ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是一个在TCP/IP网络中使用的链路层协议，用于将已知的IP地址映射到相应的物理地址（如以太网中的MAC地址）。它可以视为，让当前设备，获取到周围设备 IP 地址和 MAC 地址之间的映射关系

工作原理

请求过程：
- 当主机A想要向主机B发送数据，但只知道主机B的IP地址而不知道其MAC地址时，主机A会广播一个ARP请求报文。
- 这个ARP请求包含主机A的MAC地址和IP地址，以及主机B的IP地址，并询问“谁拥有这个IP地址？请告诉我你的MAC地址”。
响应过程：
- 所有接收到ARP请求的设备都会检查自己的IP地址是否与请求中的目标IP地址匹配。
- 如果匹配，那么该设备（假设是主机B）就会单播回应一个ARP响应报文给主机A，其中包含了主机B的MAC地址。
- 如果不匹配，则这些设备不会做出任何响应。
更新ARP缓存：
- 主机A收到ARP响应后，会将主机B的IP地址和MAC地址对存储在本地的ARP缓存表中，这样下次再发送数据给主机B时就可以直接使用缓存中的信息，而不需要再次发起ARP请求。
ARP缓存超时：
- 为了保持ARP缓存表的时效性，每个条目都有一个生存时间。一旦超过这个时间，对应的条目会被删除或标记为过期，下一次发送数据时又需要重新执行ARP请求。

总的来说，ARP协议虽然简单，但它在网络通信中扮演着至关重要的角色，确保了不同层次之间的正确映射。同时，了解ARP的安全风险并采取适当的保护措施也是网络管理的重要组成部分。

🎒五.DNS协议（应用层协议）

DNS（Domain Name System，域名系统）是一种分布式数据库系统，用于将人类易于记忆的域名转换为计算机可识别的IP地址。它解决了互联网上主机名和IP地址之间的映射问题，使得用户无需记住复杂的IP地址即可访问网站和其他服务。以下是对DNS协议的简要介绍：

工作流程

查询过程：
- 用户输入一个域名（如www.example.com）后，浏览器或操作系统会向本地DNS客户端发送一个DNS查询请求。
- 本地DNS客户端首先查找本地缓存，看是否有对应记录。如果有，就直接返回结果。
- 如果没有，客户端会向DNS服务器发出查询请求。
递归查询：
- 如果本地DNS客户端没有找到答案，它会向DNS服务器发送一个递归查询，要求服务器提供完整的解答。
- DNS服务器会尝试从根域名服务器开始，逐级向下查询，直到找到正确的权威名称服务器为止。
权威名称服务器：
- 权威名称服务器负责维护特定域名下的所有记录，如A记录（将域名映射到IP地址）、MX记录（邮件服务器）等。
- 当查询到达权威名称服务器时，它会返回正确的IP地址或其他相关信息。
回答过程：
- DNS服务器将查询结果返回给本地客户端，然后本地客户端将其保存在缓存中，以备后续查询使用。