1）网络层ICMP协议（略MARK）

ICMP在IP层上层

确认IP包是否成功到达目标地址.
通知在发送过程中IP包被丢弃的原因.
ICMP也是基于IP协议工作的. 但是它并不是传输层的功能, 因此人们仍然把它归结为网络层协议;
ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6

关于ping命令：

注意, 此处 ping 的是域名, 而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址.
ping命令不光能验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live, 生存周期).
ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端;
对端接收到之后, 会返回一个ICMP Echo Reply

注意：ping命令基于ICMP, 是在网络层. 而端口号, 是传输层的内容. 在ICMP中不关注端口号这些信息

traceroute命令：

也是基于ICMP协议实现, 能够打印出可执行程序主机, 一直到目标主机之前经历多少路由器.

2）网络层IP协议

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
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- -, 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：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

如何解决两个问题：

如何将有效载荷和报头分离（4位首部长度length * 4 = 20，所以最大为60个字节，全1 *4，16位总字节长度（整个报文的长度））
如何将有效载荷交付给下一层（IP报文分片）

IP报文分片（少数情况）

分片原因（少数情况）：数据链路层传输的数据有最大单元约束（MTU=1500字节）
分片只能在网络层进行，组装也必须在对端网络层进行，只有IP的报头才有标识，偏移量等信息

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", 为1表示后续还有报文，为0表示没有了
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)

对端进行组装：

特定标识的报文是否被分片了(最后一位为0代表后续没有分片了)
将特定标识的所有报文全部收集在一起（根据片偏移进行升序排序）
组合形成报文

注意：

假设一个IP报文为：报头(20) 有效载荷(2980),进行分片不是分两片而是三片，因为分完片后，每一个报文都是一个完整的IP报文，需要报头，

比如：一个报文：ip报头(20)+有效载荷(2980)

IP报文 16位标识 3位标志 13位片偏移
ip报头(20)+有效载荷(1480) 1234 001 0
ip报头(20)+有效载荷(1000) 1234 001 1480
ip报头(20)+有效载荷(500) 1234 000 2480

注意：不推荐分片，只要丢失一个片就需要整个重传（不能只传一个片，上层传输层并不知道网络层的切片）

网段划分

IP地址分为两个部分, 网络号和主机号（类比学号）

网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识(同网段内相同);
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

网络标识主机号从头到第几位为止属于网络标识
192.168.128. 10 /24

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

IP地址根据地址范围分为A到E五类：

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

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

所以引入了子网掩码(CIDR):
子网掩码机制：（子网掩码 & IP = 目标网络号）

IP地址 140.252.20.68 8C FC 14 44 (16进制)
子网掩码 255.255.255.64 FF FF FF 00
网络号 140.252.20.0 8C FC 14 00
子网地址范围 140.252.20.0~140.252.20.255

以二进制来看

140.252.20 & 全1 =140.252.20
64 & 0 = 0；
140.252.20.0中的0占8位0，0000 0000共可有255台主机

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(见下面);
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;

特殊IP (127.0.0.1):

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;
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

私有IP和公有IP

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)

国内的广域网网络划分是划分好的，互联网公司一定会隶属于一个子网范畴

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).

路由

路由的过程, 就是这样(Hop by Hop)的过程.所谓 “hop” 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：

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

根据查询结果，将报文转发给下一跳路由器
根据查询结果，将报文转发给默认路由器
根据查询结果，已经发现我们的报文已经到了目标网络，根据主机号，在局域网中将数据转发给目标主机

依次反复, 一直到达目标IP地址

每个节点内部维护一个路由表，使用route命令查看（U：路由是活动的，G：路由指向网关）：

路由表生成算法（MARK）

这里是引用

3）NAT技术（MARK）

内网穿透(MARK)

4）数据链路层

以太网

“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, 传输速率等例
如以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;
以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等

以太网帧格式

两个问题：

分离：定长报头
交付：2字节帧类型

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位,是在网卡出厂时固化的;
帧协议类型字段有三种值,分别对应IP(0800)、ARP(0806)、RARP(8035);
帧末尾是CRC校验码

MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)在网卡出厂时就确定了, 不能修改.
mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)
IP和MAC：

IP地址描述的是路途总体的起点和终点;
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点

再谈局域网通信：

局域网中的主机可直接通信，MA向MF发消息，该数据帧被所有的主机其实都收到了，被收到的mac帧，保存在每台主机的数据链路层(mac帧层)，每台主机对收到的数据帧进行解析，就能立马识别到该数据帧，是不是发送给自己的，大部分主机会立即经过对比直接丢弃该数据帧

数据碰撞：

以太网任意-一个时刻，只允许一个主机向局域网中发送消息
所以有：碰撞检测&碰撞避免(碰撞避免算法)

注意：

局域网中主机越多，通信的效率越低，发生碰撞的概率越高
攻击局域网只需要向局域网中投放垃圾数据
交换机(工作在mac帧层 ) 划分碰撞域 (一个域发生碰撞(不进行局域网内数据帧级别的转发)，另一个域正常通信)

从OS角度局域网可以看作临界资源：

任何一个时刻只允许一个主机访问：主机间的 “互斥”
碰撞避免算法：主机间的 “同步”

回到跨网络传送过程：

构建自己的报文结构
路由器MAC层收到报文，剥离MAC帧报头，向上交付到自己的网络层，收到IP报文，根据目的IP地址，找到目的(路径选择由路由表+IP地址决定)
TCP提供策略
IP作执行（提供数据转发依据，找到目标主机）
MAC将数据帧交给它的下一跳设备(路由器主机)

MTU (Maximum Transmission Unit)

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制.

以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;
最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);
不同的数据链路层标准的MTU是不同的

MTU对TCP和UDP的影响：
UDP：

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报
.这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了

TCP：（因为IP报文过大，导致超过MTU，进而导致分片问题，是TCP传输层协议的问题）

TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS=1460(Max Segment Size);
TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).
双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值（这也是为什么滑动窗口那里是分几个报文发出）
然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS.
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)

ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议

ARP协议的作用：

ARP协议建立了主机 IP地址和 MAC地址的映射关系.

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址;
数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃;
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP数据报的格式

源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。
硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;
协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址;
硬件地址长度对于以太网地址为6字节;
协议地址长度对于和IP地址为4字节;
op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

ARP协议流程

过程概览：

源主机发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”, 并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播);
目的主机接收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中;

在局域网内具体过程（mac到arp）：

注意：MAC和ARP宏观上在同一层（数据链路层），但相对MAC在下面，ARP在MAC上面，IP下面

广播发送请求：

帧类型0806决定MAC层交付给ARP层，1代表发起请求，FFFF表示广播
局域网中每一个主机都会接收到ARP数据包，分析以太网首部目的地址为FFFF… 就解包，将28字节ARP请求交付到ARP层
ARP层先判断op是不是1，确认是请求后，发现目的IP地址是IPB不是自己，就将这个请求丢弃
当B主机收到ARP请求后会先确认是不是ARP请求(op=1)，发现是自己，就重新封装一个ARP数据报，发送到局域网内

一对一响应：

局域网内各主机在MAC层就发现以太网首部的目的地址不是FFFF也不是自己就直接在MAC层丢弃了
直到A也就是路由器收到，交付给ARP层，判断是响应(op=2), 获取到MB

注意：
在子网中所有主机都会知道路由器的IP，Hop By Hop的过程就是不停的在不同的局域网中进行ARP请求
（每个节点：根据查询结果，如果已经发现我们的报文已经到了目标网络，根据主机号，在局域网中将数据转发给目标主机）

ARP缓存

每台主机都维护一个ARP缓存表,可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

ARP并不是每次都要进行，一般ARP发起方收到应答后会进行缓存
使用命令arp -a查看缓存