1 -> 网络层
网络层是计算机网络中的一个重要层次，它负责在多个网络之间传输数据包，并通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层的核心协议是IP(Internet Protocol)，它提供了一种不可靠的端到端数据包传输服务，依赖于IP地址来实现数据的寻址和转发。网络层还包括其他协议，如ICMP(Internet Control Message Protocol)用于传递控制信息，以及IGMP(Internet Group Management Protocol)用于管理多播组成员。网络层使用的中间设备是路由器，它连接不同的网络并根据路由表转发数据包。
总的来说，网络层是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
2 -> IP协议
2.1 -> 基本概念
主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。
路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制。
节点：主机和路由器的统称。
2.2 -> 协议头格式
- 4位版本号(version)：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
- 4位头部长度(header length)：IP头部的长度是多少个32bit，也就是length 4的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
- 8位服务类型(Type Of Service)：3位优先权字段(已经弃用)，4位TOS字段，和1位保留字段(必须置为0)。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
- 16位总长度(total length)：IP数据报整体占多少个字节。
- 16位标识(id)：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
- 3位标志字段：第一位保留(保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到)。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。类似于一个结束标记。
- 13位分片偏移(framegament offset)：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值8得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。
- 8位生存时间(Time To Live，TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
- 8位协议：表示上层协议的类型。
- 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
- 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
- 选项字段(不定长，最多 40 字节)。
3 -> 网段划分
IP地址分为两个部分，网络号和主机号。
- 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
- 主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
- 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。
- 如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。
通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。
那么问题来了，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情。
- 有一种技术叫做DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。
- 一般的路由器都带有DHCP功能。因此路由器也可以看做一个DHCP服务器。
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类，如下图所示。
- A类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
- B类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
- C类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
- D类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
- E类 240.0.0.0 到 247.255.255.255
随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。
- 例如，申请了一个B类地址，理论上一个子网内能允许6万5千多个主机。A类地址的子网内的主机数更多。
- 然而实际网络架设中，不会存在一个子网内有这么多的情况。因此大量的IP地址都被浪费掉了。
针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)：
- 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号。
- 子网掩码也是一个32位的正整数。通常用一串"0"来结尾。
- 将IP地址和子网掩码进行"按位与"操作，得到的结果就是网络号。
- 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关。
可见，IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号，主机号从全0到全1就是子网的地址范围。
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是 255.255.255.0。
4 -> 特殊的IP地址
- 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。
- 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。
- 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1。
5 -> IP地址的数量限制
我们知道，IP 地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数。那么一共只有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右。而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。
这意味着, 一共只有 43 亿台主机能接入网络么?
实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量远不足43亿；另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址。
CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题(提高了利用率，减少了浪费，但是IP地址的绝对上限并没有增加)，仍然不是很够用。这时候有三种方式来解决：
- 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址。因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的。
- NAT技术：NAT(网络地址转换)技术是一种网络协议，它允许一个组织的私有网络使用一组保留的IP地址与互联网通信，同时对外只显示一个或少数几个公共IP地址。NAT的主要目的是节省公共IP地址，并提供一定程度的网络安全保护。NAT技术通过在网络路由器或防火墙上实现，对进出私有网络的数据包进行地址和端口号的转换。
- IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版。这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容；IPv6用16字节128位来表示一个IP地址；但是目前IPv6还没有普及。
6 -> 私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址。
- 10.*,前8位是网络号，共16,777,216个地址。
- 172.16.*到172.31.*,前12位是网络号，共1,048,576个地址。
- 192.168.*，前16位是网络号，共65,536个地址。
包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP(或公网IP)。
- 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)。
- 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
- 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)。子网内的主机IP地址不能重复。但是子网之间的IP地址就可以重复了。
- 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点。这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。
- 子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。
- 如果希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上。这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买。
7 -> 路由
在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。
路由的过程，就是这样一跳一跳(Hop by Hop)"问路"的过程。
所谓"一跳"就是数据链路层中的一个区间。具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。
IP数据包的传输过程也和问路一样。
- 当IP数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的IP。
- 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。
- 依次反复，一直到达目标IP地址。
那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表。
- 路由表可以使用route命令查看。
- 如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可。
- 路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：
- 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络，另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络。
- 路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳地址，Iface是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发。
转发过程例1：如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3
- 跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符。
- 再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，正是第二行的目的网络地址，因此从eth1接口发送出去。
- 由于192.168.56.0/24正是与eth1接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机，不需要经路由器转发。
转发过程例2：如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2
- 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配。
- 按缺省路由条目，从eth0接口发出去，发往192.168.10.1路由器。
- 由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址。
