网络多层的协议详述
网络层
1）地址管理：制定一系列的规则，通过地址，在网络上描述出一个设备的位置
2）路由选择：网络环境比较复杂，从一个节点到另一个节点，存在很多条不同的路径，需要规划出更适合的路径进行网络传输
TCP/IP协议栈
4位版本
4 => ipv4 6 => ipv6 目前大规模使用的两个版本
4位首部长度
IP协议的报头，也是变长的 0—0xf => *4 => 0-60字节
选项（如果有）
8位服务类型
能够让IP协议，切换形态
3位为优先权字段（已弃用），4位TOS字段，1位保留字段（必须设置为0）
TOS字段的四个位，彼此之间是相互冲突的，只有一位为1
不同的位设为1，表示IP协议不同的形态
最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本
16位总长度（字节）
描述了IP数据包最长的长度
IP协议也存在64kb的限制，但是IP协议自身支持“拆包组包”功能——
16位标识——将一个大的数据包拆成若干个小包，16位标识就是相同的值
3位标志——一位表示是否允许拆包，一位表示是否是最后一个包
13位片偏移——描述当前每个小的数据包（分片）的相对位置
8位生存时间
描述了一个IP数据包，在网络上还能存活多久
TTL的单位是次数
数据包被构造出来，TTL会被设置成一个初始值，数据包在转发过程中，每次经过一个路由器，TTL就会减1
如果数据包把TTL耗尽，还没顺利到达对方，就被丢弃了
8位协议
描述的是IP数据包的载荷部分，是一个UDP数据包，还是TCP数据包（传输层是那个协议）
16位首部校验和
这个校验和，只是校验IP首部，不管IP的载荷（UDP/TCP这样数据，自身都是有校验和的）
32位源IP地址 —— 32位目的IP地址
IP地址，本质上是一个32位的整数，一般写作 点分十进制
地址管理
IP地址，是一个32位整数 2*32 => 42亿9千万
地址理论上是不能重复的，互联网发展至今，能上网的设备早已超过IP地址的范围
此时如何解决IP地址不够用的问题：
1）动态分配IP
提高了IP地址的利用率，但是没有增加IP地址的数量（广泛使用的过渡方案）
2）NAT机制（网络地址转换）
本质上是让一个IP地址，代表一批设备
把IP地址分成两大类：
1. 内网IP（局域网IP）
在同一个局域网内部，内网IP之间不能重复
在不同局域网中，内网IP可以重复
2. 外网IP（广域网IP）
外网IP始终不允许重复，务必唯一
例如现在要传输一个数据：
此时IP地址是相同，但是每台主机的端口号是不同的
如果此时恰好两台主机分配端口号相同——>
请求到达路由器后，路由器会发现这两个数据包的目的IP地址和目的端口都一样（访问同一个服务器），源端口也一样
路由器会把源端口也一起替换掉（路由器内部会记录映射关系）
当前的网络环境就是以 NAT + 动态分配 的方式解决IP地址不够用的问题
NAT机制是“纯软件”的方案，因此局域网内部的设备能够主动访问外网的设备，外网的设备不能主动访问局域网的设备
3）IPv6
IPv6 使用16个字节表示IP地址 0—2*128
地球上所有的设备都可以有一个自己的 IPv6地址
IPv6 和 IPv4 是不兼容的
网段划分
同一个局域网中的设备，网络号必须相同，主机号必须不同
不同的局域网，网络号不能相同
子网掩码
一个IP地址，哪部分是网络号，哪部分是主机号，是不一定的
子网掩码，就是用来确定网络号的
32位整数（左边全是1，右边全是0）
子网掩码格式和 IP 地址一样，也是一个 32 位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字 “1” 表示，1 的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字 “0” 表示， 0 的数目等于主机位的长度子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示
将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号
| 十进制 | 二进制 | |
| IP地址 |
180.210.242.131
|
10110100.11010010.11110010.10000011
|
| 子网掩码 |
255.255.248.0
|
11111111.11111111.11111000.00000000
|
| 网络号 |
180.210.240.0
|
10110100.11010010.11110000.00000000
|
| 主机号 |
0.0.2.131
|
00000000.00000000.00000010.10000011
|
早期的网络分段形式：A类 B类 C类 D类 E类
| 0 | 网络号（7位） | 主机号（24位） |
| 1 | 0 | 网络号（14位） | 主机号（16位） |
| 1 | 1 | 0 | 网络号（21位） | 主机号（8位） |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 多播组号（28位） |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 留后待用（27位） |
1）将 IP 地址中的主机地址全部设为 0 ，就成为了网络号，代表这个局域网2）将 IP 地址中的主机地址全部设为 1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包3）127.* 的 IP 地址用于本机环回（ loop back ）测试，通常是 127.0.0.1本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信操作系统提供了一套“虚拟网卡”，关联到这个IP上4）.255UDP能天然支持 广播，和这个IP有关使用UDP socket给这个IP发送UDP数据报，此时局域网中的所有设备，都能收到这个数据TCP无法与这个IP建立连接
路由选择
描述了IP协议（IP数据报）转发的过程
IP数据进行转发的时候，无法知道网络的全貌，只知道一些局部信息（一个路由器知道哪些设备和它是相连的），这就意味着IP数据报，在转发的过程中是一个“探索式”/“启发式”的过程
一个网络层数据报，每次到达一个路由器，都会进行“问路”过程
每个路由器内部都有一个数据结构“路由表”，根据数据报中的 目的IP，查路由表
如果查到了，就直接按照路由表中给定的方向（从哪个网口进行转发），继续转发
如果没查到，路由表里有一个“默认的表项”“下一个地址”，按照默认的表项转发
路由表——>
1. 手动配置
2. 自动获取
以太网协议
" 以太网 " 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等通过网线/光纤，来通信，使用的协议是以太网协议
以太网横跨数据链路层和物理层
以太网数据帧：帧头 + 载荷（IP数据报）+ 帧尾
目的地址/源地址
6个字节
不是IP地址，是网络中的另一套地址体系，Mac地址（物理地址）
目前来说，每个设备都是有唯一的Mac地址
Mac地址通常是十六进制表示的，两个十六进制数字就是一个字节
字节和字节之间通常使用 - 或者 : 来分割
IP协议立足于全局，完成整个通信过程中的路径规划工作
以太网则是关注于局部，相邻两个局部之间的通信过程
网络层 与 数据链路层 的路径侧重：
网络层无论有多少条路线，源IP和目的IP始终是整个通信过程中的最初起点和最后终点（不考虑NAT）
数据链路层关注的是“相邻节点”之间的如何转发
源mac和目的mac会根据当前转发的过程，每次到达一个节点，往下一个节点转发的时候，源mac和目的mac都会随之改变
IP数据报的最大长度不超过1500字节
MTU：数据链路层数据报能携带的最大载荷长度
不同数据链路层的协议，MTU不同（和物理层的介质也有关系）
IP数据报的分包组包，大概路是因为MTU，而不是触发64kb上限
这两种协议不是传输“业务数据”，而是辅助转发的协议
像交换机这样的设备，收到以太网数据报时，就需要要进行转发
转发的过程中就需要能根据Mac地址，判定数据要走那个网口
此处的网口是“物理意义”上插网线的接口（IP协议，路由器，走哪个网络接口，都是抽象的概念，最后还是要在数据链路层才能决定走哪个网口）
具体的转发过程：
交换机内部有一个数据结构“转发表”，和前面的路由器表有点像
转发表示一个简单的像hash的映射（此处不一定由软件实现）
转发表中的内容主要由 arp 协议实现
DNS
DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统
使用IP地址，描述设备在网络上的位置（应用层协议）
最早的域名解析系统，是通过一个简单文件实现——> hosts文件
现在搭建了一套DNS系统（一组服务器）
如果要访问服务器，先给这个DNS服务器发起请求，查询一下当前的域名对应的IP，再访问目标网站
一个服务器硬件资源是有限的（CPU，内存，硬盘，网络带宽...）
服务器处理每个请求，都会消耗一定的资源
如果单位时间内访问次数超过服务器的上限，机器就挂了——>
1)开源
搭建“镜像服务器”，同步与主根的数据，用户会先访问距离自己最近的镜像服务器
2）节流
让请求量变少，让每个上网的设备，设置网络缓存
对于短时间的多次访问，只让第一次请求DNS即可，把到的结果保存到本地，后面的请求都是用第一次的结果即可