协议森林 邮差与邮局 (网络协议概观) 信号的传输总要符合一定的协议。 物理层(physical layer) 是指光纤、电缆或者电磁波等真实存在的物理媒介。 这些媒介可以传送物理信号，比如亮度、电压或者振幅。 对于数字应用来说，我们只需要两种物理信号来分别表示0和1，比如用高电压表示1，低电压表示0，就构成了简单的物理层协议。 针对某种媒介，电脑可以有相应的接口，用来接收物理信号，并解读成为0/1序列。 连接层(link layer)：社区，局域网 社区邮差。信息以帧(frame)为单位传输。 所谓的帧，是一段有限的0/1序列。包含收信地址(Source, SRC)和送信地址(Destination, DST)，探测错误的校验序列(Frame Check Sequence)。当然，帧中最重要的最重要是所要传输的数据 (payload)。帧就像是一个信封，把数据包裹起来。 连接层协议不关心数据中到底包含什么。 以太网(Ethernet)和WiFi是现在最常见的连接层协议。 通过连接层协议，我们可以建立局域的以太网或者WiFi局域网。 网络层(network layer)：不同社区中都有的邮局。互联网。 连接层协议是在信封上直接写好收送地址，如从以太网计算机1出发，送往以太网计算机2。 网络通讯：从 WiFi 的计算机1送信到以太网计算机2，则需要路由器和 IP 协议。计算机1、路由器、计算机2都需要懂 IP 协议。 1 每个邮局（路由器）一般连接多个社区（局域网），而一个社区（局域网）也可以有多个邮局（路由器），分别通往不同的社区。有时候一封信要通过多个邮局转交，才能最终到达目的地，这个过程叫做 route。邮局将分离的局域网络连接成了 internet，并最终构成了覆盖全球的互联网。 传输层(transport layer) 计算机中不同进程的通讯。 TCP、UDP 协议，使用端口号（port number）来识别收信人(某个进程)。在写信的时候，我们写上目的地的端口。TCP 和 UDP 协议是两种不同的传输层协议。 UDP 协议类似于我们的信件交流过程。TCP 协议则好像两个情人间的频繁通信。一个小情人要表达的感情太多，以致于连续写了好几封信。而另一方必须将这些信按顺序排列起来，才能看明白全部的意思。TCP 协议还有控制网络交通等功能。 应用层(application layer)：应用层协议是对信件内容进一步的用语规范。应用层的协议包括用于 Web 浏览的 HTTP 协议，用于传输文件的 FTP 协议，用于 Email 的 IMAP 等等。 连接层 小喇叭开始广播 (以太网与WiFi协议) 以太网的帧： 1 头部：最初7个byte被称为序言(preamble)用于调频。起始信号 SFD 用于提示可以开始通讯。紧随 SFD 之后的是 6 byte 的目的地(DST, destination)和6 byte 的发出地(SRC, source)。头部的最后一个区域是 Type ，用以说明数据部分的类型。(比如0x0800为 IPv4，0x0806为 ARP)。 帧数据。连接层协议本身并不在乎数据是什么，它只负责传输。 帧尾部。校验序列 FCS，是为了检验数据的传输是否发生错误。 集线器 vs 交换器 集线器像一个广播电台。不安全、多台设备同时发送信息会冲突。 交换器将帧只发送到对应端口。 WIFI WiFi的工作方式与集线器连接下的以太网类似。所以WiFi的安全性很值得关注。WiFi采用加密的方法来实现信息的安全性。 网络层 IP接力赛 (IP, ARP, RIP和BGP协议) 网络层(network layer)是实现互联网的最重要的一层。 通过网络层的 IP 数据包(datagram)来传递信息。 IP包分为头部(header)和数据(Data)两部分。 IPV4： 1 红色的发出地(source address)和目的地(destination address)。它们都是 IP 地址。 IPv4的地址为4 bytes的长度(也就是32位)。每个IP地址的32位分为前后两部分，第一部分用来区分局域网，第二个部分用来区分该局域网的主机。子网掩码(Subnet Mask)告诉我们这两部分的分界线，比如255.0.0.0(也就是8个1和24个0)表示前8位用于区分局域网，后24位用于区分主机。 网卡与路由器 IP 地址实际上识别的是网卡。一台计算机可以有不只一个网卡，比如笔记本就有一个以太网卡和一个 WiFi 网卡。计算机在接收或者发送信息的时候，要先决定想要通过哪个网卡。 路由器(router)实际上就是一台配备有多个网卡的专用电脑。 1 IP 包接力 每一个主机和路由中都存有一个路由表(routing table)。路由表根据目的地的IP地址，规定了等待发送的 IP 包所应该走的路线。 例子：从主机 145.17 生成发送到 146.21 的IP包 145.17 的 IP 包头部写上发出地 199.165.145.17，目的地 199.165.146.21，145.17 查询自己的路由表，发现146.21 符合第二条，需要发送给路由器在 eth0 中的地址 199.165.145.17，根据连接层协议，IP 包被放入信纸（payload），信封上写发出地为 199.165.145.17 的 MAC 地址，目的地为路由器在 eth0 网卡上的 MAC 地址。这样就可以在 eth0 局域网上传递了。 1 路由器收到以太协议的帧后，打开帧（信封），查看 payload 中的 IP 包的头部的目的地，对照自己的 routing table，发现146.21可以通过 eth1 网卡直接传送。第三行表示，如果是前面两行之外的IP地址，则需要通过 eth1，送往 199.165.146.8 (其他的router)。目前的目的地符合第二行，将 IP 包封入一个新信封（帧），帧头部目的地写上 146.21 的 MAC 地址，在 eth1 局域网内直接传送。 1 IP包不断被主机和路由封装入帧(信封)并拆开，然后借助连接层，在局域网的各个 NIC 之间传送帧。整个过程中，我们的IP包的内容保持完整，没有发生变化。最终的效果是一个IP包从一个主机传送到另一个主机。利用IP包，我们不需要去操心底层(比如连接层)发生了什么。 ARP 协议 IP 地址与 MAC 地址的对应是通过 ARP 协议传播到局域网的每个主机和路由。每一台主机或路由中都有一个 ARP cache，用以存储局域网内 IP 地址和 MAC 地址如何对应。 ARP 协议只用于 IPv4。 ARP协议(ARP 介于连接层和网络层之间，ARP 包需要包裹在一个帧中)的工作方式如下：主机会发出一个 ARP 包，该 ARP 包中包含有自己的IP地址和MAC 地址。通过 ARP 包，主机以广播的形式询问局域网上所有的主机和路由。 Routing Table 我们还有另一个假设，就是每个主机和路由上都已经有了合理的routing table。 一种用来生成routing table的协议是RIP(Routing Information Protocol)。它通过距离来决定routing table，所以属于distance-vector protocol。对于RIP来说，所谓的距离是从出发地到目的地途径的路由器数目(hop number)。 RIP出于技术上的原因(looping hops)，认为距离超过15的IP不可到达。所以RIP更多用于互联网的一部分(比如整个中国电信的网络)。
地址耗尽危机 (IPv4与IPv6地址) 由于IPv4协议的地址为32位，所以它可以提供232, 也就是大约40亿个地址。如果地球人每人一个IP地址的话，IPv4地址已经远远不够。 IPv6协议的地址最重要的改进就是：加长。IPv6的地址为128位。 我尽力 (IP协议详解) IPv4 和 IPv6 的Header： 1 黄色：保留的字段 蓝色：修改名称的字段 红色：删除的字段 绿色：新增的字段 尽力：IP协议在产生时是一个松散的网络，这个网络由各个大学的局域网相互连接成的，由一群碰头垢面的Geek维护。所以，IP协议认为自己所处的环境是不可靠(unreliable)的：诸如路由器坏掉、实验室失火、某个PhD踢掉电缆之类的事情随时会发生。 “效率优先”也体现在IP包的顺序(order)上。即使出发地和目的地保持不变，IP协议也不保证IP包到达的先后顺序。 网络协议技术上并不复杂，更多的考量是政策性的。 IP协议是"Best Effort"式的，IP传输是不可靠的。但这样的设计成就了IP协议的效率。 瑞士军刀 (ICMP协议) ICMP(Internet Control Message Protocol)是介于网络层和传输层的协议。它的主要功能是传输网络诊断信息。 ICMP传输的信息可以分为两类： 一类是错误(error)信息，这一类信息可用来诊断网络故障。ICMP只提供特定类型的错误汇报，它不能帮助IP协议成为“可靠”(reliable)的协议。 另一类信息是咨询(Informational)性质的，比如某台计算机询问路径上的每个路由器都是谁，然后各个路由器同样用ICMP包回答。 ICMP基于IP协议。也就是说，一个ICMP包需要封装在IP包中，然后在互联网传送。ICMP是IP套装的必须部分，也就是说，任何一个支持IP协议的计算机，都要同时实现ICMP。 结构： 1 ICMP包都会有Type, Code和Checksum三部分。ICMP支持的类型非常多，就好像瑞士军刀一样，有各种各样的功能。Checksum与IP协议的header checksum相类似，但与IP协议中checksum只校验头部不同，这里的Checksum所校验的是整个ICMP包(包括头部和数据)。 ICMP协议是实现ping命令和traceroute命令的基础。这两个工具常用于网络排错。 常见的 ICMP 包类型： 回音 当使用ping命令的时候，将向目标主机发送Echo-询问类型的ICMP包，而目标主机在接收到该ICMP包之后，会回复Echo-回答类型的ICMP包，并将询问ICMP包包含在数据部分。 源头冷却 如果某个主机快速的向目的地传送数据，而目的地主机没有匹配的处理能力，目的地主机可以向出发主机发出该类型的ICMP包，提醒出发主机放慢发送速度(请温柔一点吧)。 目的地无法到达 如果一个路由器接收到一个没办法进一步接力的IP包，它会向出发主机发送该类型的ICMP包。 超时 Hop Limit会随着经过的路由器而递减，当这个区域值减为0时，就认为该IP包超时(Time Exceeded)。Time Exceeded就是TTL减为0时的路由器发给出发主机的ICMP包，通知它发生了超时错误。 重新定向 当一个路由器收到一个IP包，对照其routing table，发现自己不应该收到该IP包，它会向出发主机发送重新定向类型的ICMP，提醒出发主机修改自己的routing table。 ICMP协议是IP协议的排错帮手，它可以帮助人们及时发现IP通信中出现的故障。基于ICMP的ping和traceroute也构成了重要的网络诊断工具。然而，需要注意的是，尽管ICMP的设计是出于好的意图，但ICMP却经常被黑客借用进行网络攻击，比如利用伪造的IP包引发大量的ICMP回复，并将这些ICMP包导向受害主机，从而形成DoS攻击。而redirect类型的ICMP包可以引起某个主机更改自己的routing table，所以也被用作攻击工具。许多站点选择忽视某些类型的ICMP包来提高自身的安全性。 传输层 傀儡 (UDP协议) UDP(User Datagram Protocol)传输与IP传输非常类似。 UDP协议同样以数据包(datagram)的方式传输，它的传输方式也是"Best Effort"的，所以UDP协议也是不可靠的(unr
