网络的进化 - 转载

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有了 IP 地址,为什么还要用 MAC 地址? - 涛叔的回答 - 知乎

https://www.zhihu.com/question/21546408/answer/2120115071

点对点链路

最早的网络是猫+电话线。一台电脑接一个猫,连一条电话线。理论上只要完成拨号,双方就能进行通信。这个过程跟两个人电话没什么两样。

点对点链路,来源:https://labpub.com/learn/silver/wi7/modems.html

因为是一条电话线的两头,这边电脑发出的所有信号自然会被另一端的电脑收到。所以不需要给双方指定 MAC 地址或者 IP 地址之类东西。这种链路叫点对点链路

Mesh 拓朴

点对点链路的优点是简单清晰,但缺点也很明显——不支持连接多台电脑。如果你想连多台电脑,就需要给电脑配置多个猫。如果有多台电脑需要相互连接,就需要每台的电脑的每个猫都连到一起。这样做不但成本很高,管理负担也非常重。这种连接方式叫全网状(Full Mesh)拓朴网络。

全网状拓朴,来源:https://www.propatel.com/what-is-mesh-topology/

Mesh 网络也不是一无是处,它最大的优点就是可靠性高。网络中的部分链接出现故障不会影响到整个网络。但成本高,维护困难的缺点真是抗不住。

成本高归高,计算机之间还是以点对点的方式进行通信。所以这类网络本质上跟第一种点对点链路没有区别。设备之间的通信也不需要设置 MAC 或 IP。

总线网络

为了降低成本,人们想了另外一种连接方式,总线网线。

总线网络,来源:https://subscription.packtpub.com/book/cloud_&_networking/9781838643508/6/ch06lvl1sec43/bus-topology

之所以成本低,是因为所有的电脑只需要接一个猫,然后所有猫接到同一条网线上(叫总线,早期使用的是同轴电缆)。

CSMA/CD

组网成本确实降低了,但使用成本却上升了。如果上图中 A 想给 B 发数据,可以启动自己的猫开始发送。如果此时 C 也给 D 发数据,那就会形成干扰,最终谁的数据也发不出来。为了解决这个问题,人们规定,如果想发数据,必须先使用自己的猫「听」一下网线上有没有其他电脑正在通信。如果有,就自觉等待一段时间,然后再检查。这套机制后来演化了成载波侦听多路访问/碰撞检测(CSMA/CD)机制。教科书上都会讲这个 CSMA/CD。

MAC 地址

解决了冲突问题,总线网络就能工作吗?不能!我们在前面讲的点对点链路两边各有一台电脑,收发双方非常明确,不需要指定 MAC 或者 IP。但在总线网络中,所有电脑共享一条电缆,可以同时接收网络上的全部信号。那大家怎么确定数据是发给自己的呢?

为了解决这个问题,人们发明了数据帧的概念。帧是发送数据的最小单位。当时是用很多链接层协议,以太网只是后面设计的一种。但不同的帧结构大同小异,核心都包含目标地址、源地址和数据三部分。

以太网帧结构,来源:https://www.minitool.com/lib/ethernet-frame.html

这里首次出现了地址这个概念。正是因为总线网线中所有设备共享总线,所以需要通过引入地址的概念来区分不同的设备。 对于以太网,这个地址就是我们常说的 MAC 地址。这个时候的「猫」就已经变成了我们现在常说的网卡了。以太网规定 MAC 地址占 6 个字节,也就前面说的 48 位。

所有发出的包都带着目标电脑的 MAC 地址。网络中所有设备收到数据后会自觉比较目标地址是不是自己,如果不是就丢弃。你没看错,全凭大家自觉。这样就解决了不同电脑之前相互通信的问题。

引入地址的概念,也就产生了新的问题——如何给计算机设置 MAC 地址呢?不同的网络有不同的处理方式。

ARCNET 网络

曾经有一种叫 ARCNET 的网络协议,它的 MAC 地址只有 1 个字节(8 位),需要网络管理员通过网卡上的拨动开关手工设置。好在当年能连网的设备很少,8 位地址可以支持最多 256 台设备连网,也够用了。

ARCNET 网卡的拨动开关,来源:https://en.wikipedia.org/wiki/ARCNET

以太网则规定在网卡出厂的时候就得分配 48 位 MAC 地址,全球唯一。

网桥

随着总线网络的普及,越来越多的大公司或组织(主要是大学)开始使用网络连接它们的设备。为了方便传输数据,人们还发明了网桥。可以把网桥想象成装有多个网卡的设备,每个网卡连接一个总线网络。网桥唯一的作用就是把从一个网卡收到的内容原样转发到另一张网卡所在的网络

网桥,来源:https://www.easytechjunkie.com/what-is-a-network-bridge.htm

这样网络的规模越来越大,连网的设备越来越多,通信冲突的频率也越来越高。最终的结果就是数据传输的速度越来越低(因为只要有一人在发数据,其他所有人都得等待)。但就这样,人们对互联互通的要求还没有被满足。除了公司或者组织内部的网络,人们还想把不同城市的设备和网络都连起来,这就需要用到长途电话线。

我们前面说过网桥是一种无脑转发设备。它的无脑不仅体现在不关心数据内容方面,还体现在尽自己最大能力转发。如果是相同局域网,两边的网速相近,那不会有什么问题。但如果一边是局域网,一边是长途电话线,那来自局域网的广播数据会把电话线挤爆,大家谁也别想玩。

IP 协议

事情发展到这步田地,就需要人们(另一拨人)坐下来开会讨论了。最终,想了一个办法,就是让网桥变的智能一点。让它可以「学习」不同网络所有设备的 MAC 地址。当有数据需要转发的时候,它可以根据目标地址判断应该转发到哪个网卡,从而减少广播的数量。

但是,因为以太网的 MAC 是在出厂的时候指定的,所以没有一个简单的办法确定某个总线网络中的所有 MAC 地址,只能通过广播来学习,也只能在网桥设备保存全部的 MAC 地址,而且还要及时更新。除此之外,网桥本身只转发,理论上也不需要 MAC 地址。所以网络内的计算机不知道数据是经过几个网桥转发的,也不知道是在哪个环节出了问题。

最终,另一拨人(IETF)想出了再加一层的方案,也就是在以太网上引入了网络层(也就是 IP 层)。注意,网络层是 IETF 这拨人鼓捣出来的,以太网是 IEEE 那拨人鼓捣出来的。IETF 这拨人决定给每一台网络设备加一个逻辑地址,也就是 IP 地址,而且觉得 32 位差不多够用了,甚至都没考虑 MAC 地址是 48 位。

引了 IP 协议层,前面说的网络问题基本得到解决。

IP 路由

首先,每一台设备都有一个 IP 地址。通信双方使用 IP 地址进行通信。IP 地址是管理员按需指定的,可以根据前缀聚合。所以原来的网桥(现在变成了路由器)不需要保存网络中的所有 MAC 地址,只要保存网络前缀就能进行转发。(也就是说,IP 的出现是为了提高路由的转发效率)

一种 IP 网络拓朴,来源:https://oswalt.dev/2011/07/the-anatomy-of-show-ip-route/

但问题来了,网络层工作在链路层之上。要想通信,还得需要 MAC 地址。怎样才能得到目标的 MAC 地址呢?这就需要用到 ARP 协议。

ARP 协议

每当电脑在通信之前会先在网络上发一个广播(这个广播不会被转发到其他网络),问谁的 IP 地址是某某某。这个时候对应的电脑就会回包说是我,我的 MAC 地址是某某某。发送方就拿到了接收方的 MAC 地址,进而完成通信。

ARP 协议过程,来源:https://www.hackers-arise.com/post/network-basics-for-hackers-address-resolution-protocol-or-arp

如果目标电脑在另一个网络,这个时候发送方就会在自己的网络里广播说谁的 IP 是192.168.1.1(我们假设它的默认网关 IP 是 192.168.1.1),网关就会回复自己的 MAC。然后,发送方就会通过网关的 MAC 地址给网关发一条 IP 报文,报文的目标 IP 就是接收方的 IP 地址,来源 IP 自然是发送方的 IP 地址。

IP 路由,来源:https://networklessons.com/cisco/ccna-routing-switching-icnd1-100-105/ip-routing-explained

以上图为例,假如 H1 想给 H2 发数据。H1 知道 H2 跟自己不在一个网络,所以它通过 ARP 查到 R1 的 Gi0/1 网卡的 MAC 地址,给 fa16.ee3f.fd3c 这个 mac 地址发送了一个 IP 报文,这个报文的目标 IP 是 H2 的 IP 地址,也就是 192.168.2.2,原 IP 地址是 H1 的 IP,也就是 192.168.1.1。R1 收到这个报文后发现目标地址是 192.168.2.2,需要通过 Gi0/2 网卡转发给路由器 R2(因为 R1 保存了 H2 所在网络的前缀)。R2 会重复同样的过程,最终 IP 报文被转发给 H2。

整个过程,H1 和 R1 都不需要知道 H2 的 MAC 地址,但所有节点必须知道相临节点的 MAC 地址(也叫下一跳)。所以说,到现在为止,哪怕是引入了 IP 层,实际通信还是依赖 MAC 地址

交换机

在 IP 网络中,如果目标在同一网络,则通过广播通信;否则,通过网关转发。因为有广播的存在,所以网速还是会受到影响。这时局域网也叫冲突域

每个局域网都是冲突域,来源:https://geek-university.com/ccna/broadcast-domain-explained/

大家不要误会。因为 IP 网络引入了路由器,所以跟原来的总线网络相比,冲突域变小了,广播减少了,网速提高了。但人民群众的要求也提高了,网速必须更快!

于是,人们又发明了交换机。交换机是一种局域网设备,功能跟前面说的网桥类似。

交换机,来源:https://geek-university.com/ccna/what-is-a-network-switch/

但是,交换交换机可以进一步减少广播的数量。以上图为例。如果 A 想给 C 发送数据,它会先通过 ARP 广播查询 C 的 MAC 地址。这一步是免不了的。但是,这一步也会被交换机监听/学习到,所以交换机会将 C 连接的网口跟 C 的 MAC 地址绑定到一起,等 A 给 C 发数据的时候,交换机只会给 C 发数据。这个时候 B 和 D 都收不到数据。不但收不到,B 和 D 还可以在 A 与 C 通信期间进行通信,这就进一步提高了网络的利用效率。

MAC 地址的去留

因为有了交换机,所以原来的总线拓朴在一定程度上变成了星形拓朴。又因为交换机可以隔离不同设备间的通信,所以总线网络一定程度上又变成了点对点网络。

那我们能不能最终去掉 MAC 地址,而只保留 IP 地址呢?理论上是可行的。交换机既然可以学习 MAC 地址,那就一定可以学习 IP 地址。这样,每个网口所连电脑的 IP 映射关系也就知道了。电脑 A 如果想给 C 发数据,可以不查 C 的 MAC 地址,而是直接给交换机发一个 IP 报文(注意,这次没有 MAC 帧)。交换机收到后直接转发给电脑 C。整个过程就仿佛回到了最开始的点对点链接路。是不是有点历史轮回的感觉呢?

现在没有去掉 MAC 地址,可能是因为以太网设备已经遍布全球,也足够便宜,已经没有必要再优化了。但从原理上看,MAC 地址确实可以去掉。

IPv6 网络

虽然没有消灭 MAC 地址,但 IPv6 引入了所谓的 link local address,这种地址以 FE80 开头,只在当前链路有效。什么意思,你可以给同一设备的不同网卡设置相同的 link local address。比如你有一个路由器,所有的网卡都设成 FE80::1,那可以把连接这个路由器的所有网络的主机的下一跳地址都设成FE80::1,而不论主机所在的实际网段是什么。这在管理上比较方便。之前 IPv4 时代只能不同网卡设不同地址,分开配置,比较麻烦。

每个网卡可以配置相同的 Link Local 地址,来源:https://labs.ripe.net/author/philip_homburg/whats-the-deal-with-ipv6-link-local-addresses/

我们前面说过,现在的网络拓朴有点绕回原来的点对点网络。如果能让设备直接跟路由器相连,那么所谓的 Link 上就只有两个设备,这是典型的点对点链路。这个时候设备相要发 IP 报文,可以直接发给FE80::1。从而完全去掉 MAC 地址。

Link Local Address,来源:https://www.youtube.com/watch?v=Ln7D-irXnX0

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