Jade Dungeon

Linux网络基础

MAC地址

我们的主机上网路卡可以透过 ifconfig来查询到MAC，如第一个以太网为一般叫作eth0： 

$ ifconfig eth0

eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 00:25:b3:69:16:59  
          inet addr:192.168.1.104  Bcast:192.168.1.255  Mask:255.255.255.0
          inet6 addr: fe80::225:b3ff:fe69:1659/64 Scope:Link
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:87822 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:65169 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000 
          RX bytes:95827160 （95.8 MB）  TX bytes:9333772 （9.3 MB）
          Interrupt:17

但数据在网卡之间的传输要通过ARP（Address Resolution Protocol）解析IP与MAC的对照关系得到网卡的MAC。当我们的主机想要找出目标IP时，就会对整个区域网路进行广播封包（broadcast）的传送， 这个广播封包可以对所有区域网路内的电脑要求回报他的IP与MAC， 当目标IP看到这个广播封包时，就会回应您主机相关的 MAC 资讯，如果非目标主机接到这个封包， 就会主动的忽略。这样就可以取得标主机的MAC，而这个目标主机的MAC就会被记录到你的主机内存中的ARP table（不过还是要再次的提醒，MAC是不能跨路由的）。

如果想要查看ARP记录，可以通过arp命令：

参数-n加主机名可以将主机名称以IP的型态显示： 

[root@linux ~]$ arp -n
Address       HWtype HWaddress         Flags Mask Iface
192.168.1.100 ether  00:01:03:01:02:03 C          eth0
192.168.1.240 ether  00:01:03:01:DE:0A C          eth0
192.168.1.254 ether  00:01:03:55:74:AB C          eth0

从上面的结果中可以看到由于有记录MAC与IP的对应，因此当下回资料又传送到同一部主机时会主动的传送到同一个MAC去，而不需要再次透过broadcast来查询MAC，所以省去了很多网路延迟的时间。ARP table是动态的资讯，会随时随着网域里面电脑的IP更动而变化，所以，即使常常更动的电脑IP，ARP table也会自动的重新。

如果有特殊需求也可以利用参数 -s hostname（IP） Hardware_address来定义静态的ARP对应: 

[root@linux ~]$ arp -s 192.168.1.100 01:00:2D:23:A1:0E

还可以通过参数-d将 hostname 的 hardware_address 由 ARP table 当中删除掉。

IP地址格式

IP地址一共有32位二进制： 

00000000.00000000.00000000.00000000 ==> 0.0.0.0
11111111.11111111.11111111.11111111 ==> 255.255.255.255

这32位被分为两部分：「网络号」与「主机号」。如果多个IP地址拥有相同的网格号与各自不同的主机号，那么这些机器就是处于同一个「物理网段」内。如下面这个典型的C类网段，前24位是网络号，后8位是主机号： 

|----------Net_ID--------| |-host-|
11000000.10101000.00000000.00000000 ==> 192.168.0.0 
11000000.10101000.00000000.11111111 ==> 192.168.0.255

在同一个网段内，Net_ID 是不变的，Host_ID则是不可重复。而此外， Host_ID在二进位的表示法当中，不可同时为0也不可同时为1，例如上面的例子当中，192.168.0.0 （Host_ID全部为0）以及 192.168.0.255（Host_ID全部为1）不可用来作为网段内主机的IP。

在同一个物理网段之内，如果两部主机设定成不同的IP网段，则两部主机无法直接以MAC讯框格式进行资料的传递，因为广播封包无法查询到MAC 与IP的对应。

IP的分级 目前 Internet将IP简单的分类成为A， B， C三种常见的等级: 以二进位说明 Network 第一个数字的定义: 

A Class : 0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx ==> NetI_D 的开头是 0
          |--net-| |--------host------------|  0.xx.xx.xx ~ 126.xx.xx.xx

B Class : 10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx ==> NetI_D 的开头是 10
          |------net------| |-----host------| 128.xx.xx.xx ~ 191.xx.xx.xx

C Class : 110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx ==> NetI_D 的开头是 110
          |-----------net----------| |-host-| 192.xx.xx.xx ~ 223.xx.xx.xx

A类网中还有一个127.xxx.xxx.xxx被操作系统占用作为圆环调用（lookback）。

子网掩码：把网络号全1，把主机号全0。

IP地址中主机地址全0表示是这个网络的网络号；主机号全1表示是广播地址（Broadcast）。 

            |----------Net_ID--------| |-host-|
  Net Mask: 11111111.11111111.11111111.00000000 ==> 255.255.255.0
    Net ID: 11000000.10101000.00000000.00000000 ==> 192.168.0.0
First Addr: 11000000.10101000.00000000.00000001 ==> 192.168.0.1
 Last Addr: 11000000.10101000.00000000.11111110 ==> 192.168.0.254
 Broadcast: 11000000.10101000.00000000.11111111 ==> 192.168.0.255

表示网络号与掩码直接表示某网络前24位都是掩码：192.168.0.0/24

拆分子网

再拿出主机号中的n位来表示网络，这样就成了2的n次方个子网：

例如原本的C网： 

            |----------Net_ID--------| |-host-|
  Net Mask: 11111111.11111111.11111111.00000000 ==> 255.255.255.0
    Net ID: 11000000.10101000.00000000.00000000 ==> 192.168.0.0
First Addr: 11000000.10101000.00000000.00000001 ==> 192.168.0.1
 Last Addr: 11000000.10101000.00000000.11111110 ==> 192.168.0.254
 Broadcast: 11000000.10101000.00000000.11111111 ==> 192.168.0.255

切成两个子网路之后的Net_ID与Host_ID为 

            |----------Net_ID--------| |-host-|
  Net Mask: 11111111.11111111.11111111.10000000 ==> 255.255.255.128
  Net ID 1: 11000000.10101000.00000000.00000000 ==> 192.168.0.0
Broadcast1: 11000000.10101000.00000000.01111111 ==> 192.168.0.127
  Net ID 2: 11000000.10101000.00000000.10000000 ==> 192.168.0.128
Broadcast2: 11000000.10101000.00000000.11111111 ==> 192.168.0.255

第一个子网络为： 

192.168.0.0/25 或 192.168.0.0/255.255.255.128

第二个子网路为： 

192.168.0.128/25 或 192.168.0.128/255.255.255.128

IP地址的类型

在IPv4里面就只有两种IP的类别，分别是：

Public IP
公共IP，经由INTERNIC所统一规划的IP，只有这种IP才可以连上Internet；
Private IP
IP或保留IP，不能直接连上Internet的IP，主要用于区域网路内的主机连线规划。

早在 IPv4 规划的时候就担心IP会有不足的情况，而且为了应付某些私有网路的网路设定，于是就有了私有IP（ Private IP ）的产生了。 私有IP也分别在A，B，C三个Class当中各保留一段作为私有IP网段，那就是： 

A Class:10.0.0.0 - 10.255.255.255
B Class:172.16.0.0 - 172.31.255.255
C Class:192.168.0.0 - 192.168.255.255

由于这三个Class的IP是预留使用的，所以并不能直接作为Internet上面的连接之用有底下的几个限制:

  1. 私有位址的路由资讯不能对外散播；
  2. 使用私有位址作为来源或目的地址的封包，不能透过Internet来转送：
  3. 关于私有位址的参考纪录（如 DNS），只能限于内部网路使用；

如果要将这些私有IP送上Internet可以设定一个简单的防火墙加上NAT（Network Address Transfer）主机设定，你就可以透过IP伪装来使你的私有 IP 的电脑也可以连上 Internet。

回环地址（lo）被放在127.0.0.0/8这个A Class，而且预设的主机（localhost）的IP是127.0.0.1。不用装网卡都可以访问到。

路由

当目标机器与自己是同一网络中，可以通过查自己的ARP记录直接利用MAC通讯。不在同一网段（网络号不同）不能直接通讯，要通过路由。

首先发送机会查看自己的路由表，如果没有相关的设置就往默认网关（default gateway）上发。默认网关一般都是路由器，它根据收到包的IP来判断把包发到对应网络的目标机。

每个机器都有路由表，可以通过route命令查看。参数-n表示以ip地址形式查看： 

# route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 wlan0
link-local      *               255.255.0.0     U     1000   0        0 wlan0
192.168.1.0     *               255.255.255.0   U     2      0        0 wlan0


# route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 wlan0
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1000   0        0 wlan0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     2      0        0 wlan0

上面输出的资料共有八个栏位,您需要注意的有几个地方：

  • Destination其实就是 Network 的意思
  • Gateway就是该介面的 Gateway 那个 IP 啦!若为 0.0.0.0（不加参数-n时显示为*）表示不需要额外的 IP（需要经过网关）
  • Genmask就是Netmask。与 Destination 组合成为一部主或网域
  • Flags共有多个旗标可以来表示该网域或主机代表的意义：
    • U代表该路由可用
    • G代表该网域需要经由Gateway 来帮忙转递
    • H代表该行路由为一部主机,而非一整个网域
  • Iface就是Interface的意思

TCP协议

 4 bits    6 bits      6 bits        8 bits          8 bits     
|------||----------||----------||--------------||--------------|
----------------------------------------------------------------
|        Source Port           ||      Destination Port        |
----------------------------------------------------------------
|                  Sequence Number                             |
----------------------------------------------------------------
|                 Acknowledge Number                           |
----------------------------------------------------------------
| Data || Reserved ||  Code    ||       Window                 |
|Offset||          ||          ||                              |
----------------------------------------------------------------
|         Checksum             ||        Urgent Pointer        |
----------------------------------------------------------------
|          Options             ||          Padding             |
----------------------------------------------------------------
|                        Data                                  |
----------------------------------------------------------------
Source Port & Destination Port
来源埠口 & 目标埠口
Sequence Number ( 封包序号 )
由于 TCP 封包必须要带入 IP 封包当中,所以如果 TCP 资料太大时(大于 IP封包的容许程度), 就得要进行分段。这个 Sequence Number 就是记录每个封包的序号, 可以让收受端重新将 TCP 的资料组合起来。
Acknowledge Number ( 回应序号 )
为了确认主机端确实有收到我们 client 端所送出的封包资料,我们 client 端当然希望能够收到主机方面的回应,那就是这个 Acknowledge Number 的用途了。当 client 端收到这个确认码时,就能够确定之前传递的封包已经被正确的收下了。
Data Offset
资料补偿
Options
在图十二倒数第二行有个 Options 栏位对吧! 那个 Options 的栏位长度是非固定的, 而为了要确认整个 TCP 封包的大小,就需要这个标志来说明整个封包区段的起始位置。
Reserved (保留)
未使用的保留栏位。
Code (Control Flag, 控制标志码)
当我们在进行网路连线的时候,必须要说明这个连线的状态,好让接收端瞭解这个封包的主要动作。这可是一个非常重要的控制码喔!这个栏位共有 6 个bits ,分别代表 6 个控制码,若为 1 则为启动。分别说明如下:
  • URG(Urgent):若为 1 则代表该封包为紧急封包, 接收端应该要紧急处理,且图十二当中的 Urgent Pointer 栏位也会被启用。
  • ACK(Acknowledge):若为 1 代表这个封包为回应封包, 则与上面提到的 Acknowledge Number 有关。
  • PSH(Push function):若为 1 时, 代表要求对方立即传送缓冲区内的其他对应封包,而无须等待缓冲区满了才送。
  • RST(Reset):如果 RST 为 1 的时候, 表示连线会被马上结束,而无需等待终止确认手续。这也就是说,这是个强制结束的连线, 且发送端已断线。
  • SYN(Synchronous):若为 1 , 表示发送端希望双方建立同步处理,也就是要求建立连线。通常带有 SYN 标志的封包表示『主动』要连接到对方的意思。
  • FIN(Finish):若为 1 ,表示传送结束, 所以通知对方资料传毕,是否同意断线,只是发送者还在等待对方的回应而已。

其中比较常见到的应该是 ACK/SYN/FIN 等,这三个控制码是务必要记下来的,这样未来在谈到防火墙的时候,您才会比较清楚为啥每个 TCP 封包都有所谓的『状态』条件! 那就是因为连线方向的不同所致啊! 底下我们会进一步讨论喔!

Window (滑动视窗)
主要是用来控制封包的流量的,可以告知对方目前本身有的缓冲器容量(Receive Buffer) 还可以接收封包。当 Window=0 时,代表缓冲器已经额满,所以应该要暂停传输资料。 Window 的单位是 byte。
Checksum(确认检查码)
当资料要由发送端送出前,会进行一个检验的动作,并将该动作的检验值标注在这个栏位上; 而接收者收到这个封包之后,会再次的对封包进行验证,并且比对原发送的 Checksum 值是否相符,如果相符就接受,若不符就会假设该封包已经损毁,进而要求对方重新发送此封包!
Urgent Pointer(紧急资料)
这个栏位是在 Code 栏位内的 URG = 1 时才会产生作用。可以告知紧急资料所在的位置。
Options(任意资料)
目前此栏位仅应用于表示接收端可以接收的最大资料区段容量,若此栏位不使用, 表示可以使用任意资料区段的大小。这个栏位较少使用。
Padding(补足栏位)
如同 IP 封包需要有固定的 32bits 表头一样, Options 由于栏位为非固定, 所以也需要 Padding 栏位来加以补齐才行。同样也是 32 bits 的整数。

三次握手建立连线

在封包连接模式当中，在建立连线之前都必须要通过三个确认的动作，所以这种连线方式也就被称为三向交握（Three-way handshake）。们将整个流程分成ABCD四个阶段来说明一下:

A：封包发起（SYN=1,Seq=10001）
当用户端想要对伺服器端连线时，就必须要送出一个要求连线的封包，此时用户端必须随机取用一个大于1024以上的端口。然后在TCP的表头当中，必须要带有SYN的主动连线（SYN=1）,并且记下发送出连线封包给伺服器端的序号（Sequence number = 10001）。
B：认封包传送（ACK=1,ack=10002;SYN=1,seq=20001）
当伺服器接到这个封包，并且确定要接收这个封包后，就会开始制作一个同时带有SYN=1，ACK=1的封包。其中那个acknowledge的号码是要给client端确认用的，所以该数字会比（A步骤）里面的Sequence号码多一号（ack = 10001+1 = 10002）。

伺服器也必须要确认用户端确实可以接收我们的封包才行，所以也会发送出一个Sequence(seq=20001) 给用户端,并且开始等待用户端回应。

C：回送确认封包（ACK=1,ack=20002）
当用户端收到来自伺服器端的ACK数字(10002)后就能够确认之前那个要求封包被正确的收受了，接下来如果用户端也同意与伺服器端建立连线时,就会再次的发送一个确认封包 (ACK=1) 给伺服器,亦即是 acknowledge = 20001+1 = 20002。
D：取得最后确认
若一切都顺利。在伺服器端收到带有ACK=1且ack=20002序号的封包后,就能够建立起这次的连线了。

在建立了连线之后该次连线通道就可以在用户端与伺服器端建立起一对socket pair，然后通过该socket pair进行TCP封包的PSH、FIN等传输与连线中断等动作。

UDP协议

UDP协议中不用进行三次握手验证所以速度快，但可靠性也低。 

            16 bits                         16 bits             
|------------------------------||------------------------------|
----------------------------------------------------------------
|        Source Port           ||      Destination Port        |
----------------------------------------------------------------
|        Message Length        ||        Check Sum             |
----------------------------------------------------------------
|                        Data                                  |
----------------------------------------------------------------

ICMP协议

ICMP的全称是Internet Control Message Protocol，网际网路讯息控制协定。基本上ICMP是一个错误侦测与回报的机制，最大的功能就是可以确保我们网路的连线状态与连线的正确性。最简单的指令就是ping与traceroute。这两个指令可以透过ICMP封包的辅助来确认与回报网路主机的状态。

类别代号对应的名称与意义：

  • 0 Echo Reply (代表一个回应信息)
  • 3 Destination Unreachable (表示目的地不可到达)
  • 4 Source Quench (当 router 的负载过高时,此类别码可用来让发送端停止发送讯息)
  • 5 Redirect (用来重新导向路由路径的资讯)
  • 8 Echo Request (请求回应讯息)
  • 11 Time Exceeded for a Datagram (当资料封包在某些路由传送的现象中造成逾时状态,此类别码可告知来源该封包已被忽略的讯息)
  • 12 Parameter Problem on a Datagram (当一个 ICMP 封包重复之前的错误时,会回覆来源主机关于参数错误的讯息)
  • 13 Timestamp Request (要求对方送出时间讯息,用以计算路由时间的差异,以满足同步性协定的要求)
  • 14 Timestamp Reply (此讯息纯粹是回应 Timestamp Request 用的)
  • 15 Information Request (在 RARP 协定应用之前,此讯息是用来在开机时取得网路信息)
  • 16 Information Reply (用以回应 Infromation Request 讯息)
  • 17 Address Mask Request (这讯息是用来查询子网路 mask 设定信息)
  • 18 Address Mask Reply (回应子网路 mask 查询讯息的)

在设定防火墙的时候, 我们最容易忽略的就是这个 ICMP 的封包了,因为只会记住TCP/UDP 而已~事实上, ICMP 封包可以帮助连线的状态回报,除了上述的 8 可以考虑关闭之外,基本上, ICMP 封包也不应该全部都挡掉喔!

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