文章目錄

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一、網絡層

在復雜的網絡環境中確定一個合適的路徑

1.IP協議

主機配有ip地址，但是不進行路由控制的設備；路由器配有ip地址，又能進行路由控制；

節點：路由器和主機的統稱

2.IP協議頭格式

4位版本	4位首部長度	8位服務類型（TOS)	16位總長度（字節數）
16位標識			3位標志	13位片偏移
8位生存時間(TTL)		8位協議	16位首部檢驗和
32位源ip地址
32位目的ip地址
選項（如果有）
數據

• 4位版本號：指定的IP協議版本，對于IPV4來說，就是4

• 4位頭部長度：IP頭部的長度是多少個32bit，也就是lenght*4的字節數，4bit表示最大的數字是15，因此ip頭部最大長度是60字節

• 8位服務類型：3位優先權字段（已經棄用），4位tos字段，和1位保留字段（必須置為0）4位tos分別表示：最小延時，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，這四者相互沖突，只能選擇一個。對于ssh/telnet這樣的應用程序，最小延時比較重要；對于ftp這樣的程序，最大吞吐量比較重要

• 16位總長度：ip數據包整體占多少字節

• 16位標識：唯一標識主機發送的報文，如果ip報文在數據鏈路層被分片了，那么每一片里面的這個id都是相同的

• 3位標志字段：第一位保留（保留的意思是暫時不用，將來可能會用到），第二位置為1表示禁止分片，這個給時候如果報文長度如果超過MTU，ip模塊就會丟棄報文，第三位置表示更多分片，如果分片的話，最后一個分片置為1，其他是0，類似一個結束標記

• 13位分片偏移：是分片相當于原始IP報文開始處的偏移，其實就是表示當前分片在原報文中處于哪個位置，實際偏移的字節數是這個值*8得到的，因此，除了最后一個報文，其他報文的長度必須是8的整數倍（否則報文就不連續了）

• 8位生存時間（Time to live):數據報到達目的地最大的報文跳數，一般是64，每次經過一個路由

• 8位生存時間（TTL）：數據報到達目的地最大的報文跳數，一般是64，每次經過一個路由，ttl-1，一直-=0還沒到達，那么就丟棄了，這個字段主要是用來防止出現路由循環。

• 8位協議：表示上層協議的類型

• 16位頭部校驗和：使用crc校驗，來鑒別頭部是否損壞。

• 32位源地址和32位目標地址：表示 c和 s

3.網段劃分

• ip分為兩個部分，網絡號和主機號
• 網絡號：保證相互連接的兩個網段具有不同的標識
• 主機號：同一個網段內，主機之間具有相同的網絡號，但是必須有不同的主機號。
• 不同的子網就是把網絡號相同的主機放在一起
• 如果在子網中新增一臺主機，則這臺主機的網絡號和這個子網的網絡號一致，但是主機號必須不能和子網中的其他號重復。
• 那么，如果手動管理子網內的IP,很費事。有一種技術為DHCP,能夠自動給子網內新增主機節點分配IP地址，避免手動管理IP的不便。一般路由器都帶有DHCP功能，因此路由器也可以看成一個DHCP服務器。
• 曾經有一種方案將IP地址分為A B C D E五類，A類 0.0.0.0到127.255.255.255? B類 128.0.0.0到191.255.255.255? C類 192.0.0.0到223.255.255.255 D類 224.0.0.0到239.255.255.255 E類 240.0.0.0到247.255.255.255 大多數組織都申請B類，導致A類浪費了很多地址，針對這種情況，提出了CIDR方案
• 引入一個額外的子網掩碼來區分網絡號和主機號
• 子網掩碼是一個32位整數，通常用一串0結尾
• 將IP地址和子網掩碼進行按位與操作，結果就是網絡號
• 網絡號和主機號的劃分與這個IP地址是A類、B類還是C類無關。

4.特殊ip地址

• 將ip地址中的主機地址全部設置為0，就成了網絡號，代表這個局域網
• 將ip地址中的主機地址全部設為1，就成了廣播地址，用于給同一個鏈路中相互連接的所有主機發送數據包
• 127.*的IP地址用于本機環回測試，通常是127.0.0.1

5.IP地址的數量限制

IPV4是一個4字節的32位整數，那么2^32大概是43億左右，tcp/ip規定每個主機都需要有一個ip地址。但是這樣是不夠的。實際上，除了一些特殊的IP地址，另外的IP地址并非是按照主機來配置的，而是每個網卡都需要配置一個或者多個IP地址。

CIRD在一定程度上緩解了IP地址不夠用的問題，這個時候還有三種方式來解決

• 動態分配IP地址：只給接入網絡的設備分配IP地址，同一個MAC地址的設備，每次接入互聯網得到的IP地址不一定是相同的
• NAT技術（后續詳細講解）
• IPV6用16字節128位來表示一個IP地址

6.私有ip和公網IP

如果一個組織內部組件局域網，IP地址只用于局域網內的通信，而不直接連接到INTERNET上，使用任意的IP地址都可以，但是RFC1918規定了用于組件局域網的私有IP地址

• 10.*，前8位是網絡號，共16777216個地址
• 172.16.到172.31.，前12位是網絡號，共1048576個地址
• 192.168.*，前16位是網絡號，共65536個地址
• 包括在這個范圍的，都稱為私有IP，其余的稱為公網IP
• 一個路由器可以配置兩個IP地址，一個是wan口ip,一個是lan口ip(子網）
• 路由器的lan口連接的主機，都從屬于當前這個路由器的子網中
• 不同的路由器，子網IP其實都是一樣的，子網內的主機ip地址不能重復，但是子網之間的ip地址就可以復用了
• 每一個家用的路由器，其實又作為運營商路由器的子網中的一個節點，這樣的運營商路由器可能有很多級，最外層的運營商路由器，wan口ip就是一個公網ip
• 子網內的主機和外網通信時，服務器將ip首部的地址進行替換，替換稱wan口ip，這樣逐級替換，最終數據包中的IP地址稱為一個公網ip，這種技術位NAT技術
• 如果希望我們自己實現的服務器程序，能夠在公網上被訪問到，就需要把程序部署在一臺具有外網IP的服務器上。

7.路由

路由就是在復雜的網絡結構中，找出一條通往終點的路線。

就比如唐僧要去西天取經，一路上到一個節點，繼續問下一個節點怎么走。路由的過程就是這樣一跳一跳的。所謂的“一跳”就是數據鏈路層的一個區間，具體在以太網中指的源MAC地址到目的MAC地址之間的幀傳輸區間。

IP數據包的傳輸過程也和問路一樣

當ip數據包，到達路由器時，路由器會先查看目的IP

路由器決定著這個數據包是能直接發送給目標主機，還是需要發送給下一個路由器。

以此反復，直到到達目標ip地址。

那么如何判定這個數據包應該發送到哪里--->這個就依靠每個節點內部維護一個路由表

路由表可以使用route命令查看

如果目的ip命中了路由表，就直接轉發即可。

路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和發送接口兩部分組成，當目的地址與路由表中其他行都不匹配的時候，就按缺省路由條目規定的接口發送到下一跳地址。

假設某主機上的網絡接口配置和路由表如下:

這臺主機有兩個網絡接口，一個連接到192.168.10.0/24這個網絡，另一個連接到192.168.56.0/24這個網絡

路由表的destination是目的網絡地址，GENMASK是子網掩碼，gateway是下一跳地址，iface是發送連接口，flags中的u表示此條目有效，g表示此條目的下一跳地址是某個路由器地址，沒有g標識的標識目的網絡地址是與本機接口直接相連的網絡，不必經過路由器轉發。

二、數據鏈路層

用于兩個設備（同一個數據鏈路節點）之間進行傳遞。

1.以太網

以太網不是一種具體的網絡，而是一種技術標準。既包含了數據鏈路層，也包含了一些物理層的。例如：規定了網絡拓撲結構，訪問控制方式，傳輸速率等。例如以太網中的網線必須通過雙絞線，傳輸速率有10M，100M，1000M等。以太網是當前最廣泛的局域網技術，還有令牌環網，無線lan等。

2.以太網幀格式

目的地址

源地址

類型

數據

crc

源地址和目的地址是指網卡的硬件地址（也叫MAC地址），長度是48位，在網卡出廠時固化。

幀協議類型資源有3中：ip,arp,rarp

幀末尾是CRC校驗

3.MAC地址

MAC地址是用來識別數據鏈路層中相連的節點

長度為48位，即6個字節，一般用16進制數字加上冒號的形式標識（例如：08：00：27：03：fb:19)

在網卡出廠時就確定了，不能被修改，mac地址通常是唯一的（虛擬機中的mac地址不是真實的mac地址，可能會沖突，也有些網卡支持用戶配置mac地址）

4.對比理解MAC地址和IP地址

IP地址是路途總體的起點和終點

MAC地址描述的是路途上每一個區間的起點和終點

5.MTU

MTU相當于發快遞對包裹尺寸的限制，這個限制是不同的數據鏈路層對應的物理層產生的限制。

• 以太網幀中的數據長度規定最小46字節，最大1500字節，ARP數據包的長度不夠46字節，要在后面補充
• 最大值1500稱為以太網傳輸的最大傳輸單元MTU，不同的網絡類型有不同的MTU
• 如果一個數據包從以太網路由到撥號鏈路上，數據包長度大于撥號鏈路MTU了，則需要對數據包進行分片
• 不同數據鏈路層標準的MTU不同

6.ARP協議

ARP協議建立了主機IP地址和MAC地址的映射關系

• 在網絡通訊時，源主機的應用程序知道目的主機的IP地址和端口號，卻不知道目的主機的硬件地址
• 數據包首先是被網卡接收到，再去處理上層協議的，如果接收到的數據包的硬件地址與本機不符，則直接丟棄
• 在通信之前，必須先獲得目的主機的硬件地址

ARP協議的工作流程

①主機A的IP地址172.20.1.1，它希望與172.20.1.2進行通信

②發送ARP請求包，目標IP地址知道，但是MAC地址不知道

③主機B告訴A它的MAC地址：08：00：20：74：CE：EC

④主機B發送ARP響應包，172.20.1.2的mac地址為08：00：20：74：CE：EC

• 源主機發出arp請求，詢問IP地址是172.20.1.2的主機的硬件地址是多少.并將這個請求廣播道本地網段（以太幀首部硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示廣播）；
• 目的主機接收道廣播的ARP請求，發現其中的ip地址與本機相符，則發送一個arp應答數據包給源主機，將自己的硬件地址填寫在應答包中
• 每臺主機都維護一個ARP緩存表，可以用arp-a命令查看。緩存表中的表象有過期時間，如果這個時間內沒有再次使用某個表項，則該表項失效，下次還要發送ARP請求來獲得目的主機的硬件地址。

ARP數據報的格式

• 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太網首部和ARP請求中各出現一次，對于鏈路層為以太網的情況是多余的，但是如果鏈路層是其他類型的網絡則有可能是必要的。

• 硬件類型是指鏈路層的網絡類型，1為以太網

• 協議類型是指要轉換的地址類型，0x0800為IP地址

• 硬件地址長度對于以太網地址為6字節

• 協議地址長度對于和ip地址為4字節

• op字段為1表示ARP請求，op字段為2表示ARP應答

7.DNS

DNS是一整套從域名映射道IP的系統。tcp/ip中使用ip地址和端口號來確定網絡上一臺主機的一個程序，但是IP地址不方便記憶，所以人們發明一個稱為主機的字符串，并且使用hosts文件來描述主機和ip地址的關系。

用戶可以輸入 host -a來查看ip地址。最初通過互聯網信息中心來管理這個hosts文件的，如果一個新的計算機要接入網絡，或者某個計算機ip變更，都需要到信息中心申請變更hosts文件，其他計算機也需要定期下載更新新版本的Host文件才能正確上網。這樣就太麻煩了，產生了dns系統

dns系統

• 一個組織的系統管理機構，維護系統內的每個主機的IP和主機名的對應關系
• 如果新計算機接入網絡，將這個信息注冊到數據庫中
• 用戶輸入域名的時候，會自動查詢DNS服務器，由DNS服務器檢索數據庫，得到對應的IP地址
• 至今計算機上仍保留了hosts文件，在域名解析的過程中仍然會優先查找hosts文件的內容 cat /etc/hosts

8.ICMP協議

ICMP是一個網絡層協議 一個新搭建好的網絡 需要進行一個簡單的測試，來驗證網絡是否暢通；但是ip協議并不提供可靠傳輸，如果丟包了，IP協議并不能通知傳輸層是否丟包以及丟包的原因

ICMP正是提供這種功能的協議；ICMP主要功能包括：

• 確認IP是否成功到達目標地址
• 通知在發送過程中IP被丟棄的原因
• ICMP也是基于IP協議工作的，但是它并不是傳輸層的功能，因此它仍舊是網絡層協議
• ICMP只能搭配IPV4使用，如果是IPV6的情況下，需要用ICMPV6

ICMP主要分為兩類報文：一類是通知出錯原因 一類用于診斷查詢

PING命令：

• PING的是域名，而不是url，一個域名可以通過DNS解析成IP地址
• ping命令不光能驗證網絡的連通性，同時也會統計響應時間和ttl
• ping命令對先發送一個icmp echo request給對端
• 對端收到之后，會返回一個icmp echo reply

有的面試官會問，telnet是23端口，ssh是22端口，那么ping對應哪個端口？

ping命令是基于ICMP，是網絡層，而端口號是傳輸層的內容，在ICMP中不關注端口號這樣的信息

traceroute命令 也是就與ICMP協議實現 能夠打印出可執行程序主機一直到目標主機之前經歷多少路由器

9.NAT技術

之前討論了IPV4中，IP地址數量不足的問題，NAT技術當前解決IP地址不夠用的主要手段，是路由器的一個重要功能

• NAT能夠將私有IP對外通信時轉為全局IP，也就是一種將私有IP和全局IP相互轉化的技術方法
• 很多學校，家庭，公司內部每個終端設置私有IP，而在路由器上或者必要的服務器設置為全局ip
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要，在不同的局域網中出現相同的私有IP是不影響的。

• NAT路由器將源地址從10.0.0.10替換成全局的IP 202.244.174.37
• NAT路由器收到外部的數據時，又會把目標IP從202.244.174.37替換回10.0.0.10
• 在NAT路由器內部，有一張自動生成的，用于地址轉換的表
• 當10.0.0.10第一次向163.221.120.9發送數據就會生成表中的映射關系

NAPT

那么問題來了 如果局域網內 有多個主機都訪問同一個外網服務器 那么對服務器返回的數據中 目的IP都是相同的 那么NAT路由器如何判定將這個數據包轉發給哪個局域網的主機 NAPT就來解決這個問題了 使用IP+PORT來建立這個關系

這個關系也是NAT路由器自動維護的 在TCP的情況下，建立連接時，就會生成這個表項 在斷開連接后 就會刪除這個表項

NAT具有很多技術缺陷 無法從NAT外部向NAT內部建立連接 轉換表中的生成和銷毀都需要額外開銷 通信過程中一旦NAT設備異常 即使存在設備 所有的TCP連接都會斷開

NAT和代理服務器

路由器一般都具備NAT設備的功能，通過NAT設備進行中轉，完成子網設備和其他設備的通信過程

代理服務器看起來和NAT設備有一點像，客戶端向代理服務器發起請求，代理服務器將請求轉發給真正要請求的服務器，服務器返回結果后，代理服務器又把結果回傳給客戶端

• 從應用上講，NAT設備是網絡基礎設備之一，解決的是IP不足的問題，代理服務器更貼近具體應用，比如通過代理服務器進行翻墻，加速器等等
• 從底層上講，NAT是工作在網絡層，直接對IP地址進行替換，代理服務器往往工作在應用層
• 從使用范圍上講，NAT一般在局域網的出口部署，代理服務器可以在局域網上，也可以在廣域網上，也可以跨網。
• 從部署位置上看，NAT一般集成在防火墻，路由器等硬件設備上，代理服務器則是一個軟件程序，需要部署在服務器上

代理服務器是一種應用比較廣的技術

• 翻墻：廣域網中的代理
• 負載均衡：局域網中的代理

代理服務器又分為正向代理和反向代理，反向代理一般作為一個緩存，正向代理用于請求的轉發。

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