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网络层

Internet Protocol 互联网协议

操作系统启动的时候，DHCP协议会配置本机IP地址和默认网关IP地址

本地主机先通过子网掩码来判断目标IP是本地IP还是公网IP，如果是同一子网，直接发送给对方，否则发给本子网的默认网关，默认网关如果不能路由，则通过ARP协议（Address Resolution Protocol）获取网关MAC地址，交给能进行路由的网关，即路由器，如果找不到则丢弃，如果找到且恰巧路由器是目标子网的网关，则将数据包交给它然后结束路由，否则会通过路由协议（常用的有 OSPF 和 BGP）按路由表将数据包继续给到下一个路由，如果转发 TTL(Time To Live) 次之后都没有找到，则最终被丢弃。

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DHCP

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 动态主机配置协议

设置项：IP、子网掩码、默认网关、DNS

  • Static(静态) IP：手工给设备设置IP地址
  • Dynamic(动态) IP：设备向DHCP服务器（主机或路由器）发送一个请求，获取IP地址

分配地址的时候会设定租期，当租期过去50%时会向DHCP服务器发送续约请求，如果没有发则IP将被收回

此外，像打印机、服务器、路由器等这些IP不应该经常变化的设备，还可以在DHCP配置中根据MAC地址预留固定IP

路由表

静态全局路由表

互联网诞生初期，全球的主机很少，只需要每个路由器各自维护一张包含全球全局路由表即可，当有新的路由器出现，需要各自手动更新路由表

动态全局路由表

随着互联网规模增长，改为自动更新全局路由表

动态分级路由表

互联网流量暴涨，全局路由表越来越大，更新与查询越来越频繁，越来越慢，于是引入分级路由，将互联网按区域大小用树状层次结构划分，每个路由器只需要维护所在区域的路由表即可

路由协议

  • BGP协议：基于TCP协议，根据距离矢量路由算法(Bellman-Ford)，找到最短路径，主要用于内网
  • OSPF协议，基于IP协议，根据链路状态路由算法(Dijkstra)，找到最佳路径，主要用于外网

IPv4

IPv4 由 32bits 连续的二进制数字组成，共 4Bytes，为方便书写，每字节为一组，采用点分十进制来显示和使用

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IP 地址由互联网机构 ICANN 分配

分类编址

根据网络规模大小，分成5类

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  • A～C 类为单播地址，分配给相应规模的地址
  • D类为多播地址，向这个IP发送消息，组下的主机都可以收到

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最初由 网络号 + 主机号 两级组成，不同分类下网络号的位数和起始位，以及主机号位数都是固定的

这种两级IP利用率较低且不够灵活，于是将主机号又划分出一部分作为 子网号

当数据到达路由器后，通过子网掩码计算出子网号，先发给子网，然后再转发给对应主机

子网掩码 与 IP 的位数和格式一样，只是主机号部分用 0 表示，前面的网络号和子网号都用 1 表示

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然后将IP地址与子网掩码逐位相与（AND），即可得出子网的地址

无分类编址 CIDR

随着互联网增长，IPv4 地址很容易被耗尽，于是研究出新的编址方法：无分类域间路由选择（CIDR, Classless Inter Domain Routing）

即地址不再分类，改为：网络前缀 + 主机号 / 前缀长度

网络前缀相同的地址，称之为CIDR地址块，前缀长度由后面的 /n 决定，可以通过地址掩码来算出地址块

地址掩码，类似于或者说仍可称之为子网掩码，即前 n 位都是1，剩余都是0，然后与地址按位与运算

前缀长度小于13或大于27的比较少用，最常见的为 /16 和 /24，比如：192.168.1.x/24，二进制为：11000000.10101000.00000001.x

前24位为网络号，后8位为主机号，网络号部分用1表示，主机号部分用0表示，即地址掩码为：11111111.11111111.11111111.00000000，转换为10进制为：255.255.255.0

然后将二进制的IP和子网掩码按位逻辑与运算，即可得到地址块中的最小地址：11000000.10101000.00000001.00000000，即：192.168.1.0

  • 192.168.1.x/24 IP地址
  • 255.255.255.0 地址/子网掩码
  • 192.168.1.1 通常为默认网关（即路由器）
  • 192.168.1.255 广播地址（向这个地址发送消息所有主机都可以收到）

一个路由器可能有多个不同前缀长度的路由表，通常选择最长前缀匹配，因为前缀越长，地址数越少，路由越具体

8 位主机号可分配 2^8=256 个地址，地址块的最小地址（主机号全是0）和最大地址（全是1）为特殊地址，一般不使用，还要预留一个给默认网关，所以可分配 256-3=253 个地址

知道了这个规则之后，便可以通过主机数倒推子网掩码来规划网络

比如有10台主机，则至少需要 10+3=13 个IP
因为 2^4=16 > 13，所以主机号至少要4位
即子网掩码为：11111111.11111111.11111111.11110000，十进制为：255.255.255.240

NAT

2011年2月3日，IANA宣布IPv4地址已经耗尽，为了节约IP地址数，有时只需要给网关分配一个公有IP，而连接网关的主机则使用本地IP即可

RFC 6890 规定了一些可重用地址仅用于本地专用网

10.0.0.0/8 这些原本是分配ARPANET的，但其已经关停，所以被用作专用地址
172.16.0.0/12
192.168.0.0/16

跨网通信时，通过 Network Address Translation 协议将私有IP转换为公有IP，同一IP还可以使用端口号来区分不同的网络进程

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如果某公司分布式办公，又需要内部通信，可以使用虚拟专用网（VPN, Virtual Private Network）加密通信

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VPN 会虚拟出一个网卡

VPN 的种类很多，技术各不相同，涉及OSI的1～6层，比如有些使用隧道协议实现

https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_private_network

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IPv6

为了长远考虑，创造出了 IPv6 协议

IPv6 由128位二进制数组成，通常分割成8组，每组16位（以十六进制数表示）

地址数足够分配给地球每一粒沙子，但它不兼容 IPv4，需要 NAT 转换和映射才能数据互通，因此普及较缓慢

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特殊地址

127.0.0.1

凡是以127开头的地址，都属于回环地址(loop back address)，即发送给此地址的请求会被自己接收，外部设备无法访问

127.0.0.1 只是回环地址中的一个，可用于测试网络是否正常：ping 127.0.0.1

如果遇到DDos攻击，可以将域名A记录解析到127.0.0.1，让其攻击自己

localhost

不是IP，而是域名，用于指代 this host/computer，通常被指向 IPv4 的 127.0.0.1 和 IPv6的 ::1

0.0.0.0

unspecified，未指定（即无效的，无意义的）地址

并不是一个真实的的IP地址，一般用于某些程序/网络协议中不便使用具体IP的特殊情况，表示本机中所有的IPv4地址

参考

极客时间专栏：《趣谈网络协议》