为什么要学习网络协议？

《圣经》中有一个通天塔的故事，大致是说，上帝为了阻止人类联合起来，就让人类说不同的语言。人类没法儿沟通，达不成“协议”，通天塔的计划就失败了。

但是，要想打造互联网世界的通天塔，只教给一台机器做什么是不够的，你需要学会教给一大片机器做什么。这就需要网络协议。只有通过网络协议，才能使一大片机器互相协作、共同完成一件事。

列一下之后要讲的网络协议，之后会按照从底层到上层的顺序来讲述。

网络分层的真实含义是什么？

网络为什么要分层？因为，是个复杂的程序都要分层。

网络包处理程序是如何工作的？

接收

网口配置混杂模式，网络包到我这我就收起来
处理二层头，发现如果 MAC 地址相同，丢到三层去处理，否则拒绝。
处理三层头，发现如果 IP 是自己就丢带四层处理，否则根据 iptables 看是否进行转发。
处理四层头，假设是 tcp，看这个是 tcp 层的处理包，还是正常的数据包，数据包就丢到应用层去处理。
根据端口号送到对应应用后，应用进行处理。

发送

应用发送网络包
四层处理，添加 tcp 头，记录源端口号，记录目标端口号。
三层处理，添加 ip 头，记录源 ip 和目标 ip 地址。
二层处理，添加 mac 头，记录源 mac 和目标 mac 地址。
从网口发送出去

揭秘层与层之间的关系

只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。

所以，对 TCP 协议来说，三次握手也好，重试也好，只要想发出去包，就要有 IP 层和 MAC 层，不然是发不出去的。

经常有人会问这样一个问题，我都知道那台机器的 IP 地址了，直接发给他消息呗，要 MAC 地址干啥？这里的关键就是，没有 MAC 地址消息是发不出去的。所以如果一个 HTTP 协议的包跑在网络上，它一定是完整的。无论这个包经过哪些设备，它都是完整的。所谓的二层设备、三层设备，都是这些设备上跑的程序不同而已。一个 HTTP 协议的包经过一个二层设备，二层设备收进去的是整个网络包。这里面 HTTP、TCP、 IP、 MAC 都有。什么叫二层设备呀，就是只把 MAC 头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。那什么叫三层设备呢？就是把 MAC 头摘下来之后，再把 IP 头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。

ifconfig：最熟悉又陌生的命令行

那你知道在 Linux 上还有什么命令可以查看 IP 地址吗？答案是 ip addr/ ifconfig

root@test:~# ip addr

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 

    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

    inet 127.0.0.1/8 scope host lo

       valid_lft forever preferred_lft forever

    inet6 ::1/128 scope host 

       valid_lft forever preferred_lft forever

2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000

    link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

    inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0

       valid_lft forever preferred_lft forever

    inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link 

       valid_lft forever preferred_lft forever

IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，相当于我们现实世界的门牌号码。具有定位功能

但是只有32位，太少了，所以现在又设计了 iPv6，一共128位~
iPV4 本来 32 位的 IP 地址就不够，还被分成了 5 类。现在想想，当时分配地址的时候，真是太奢侈了。

在网络地址中，至少在当时设计的时候，对于 A、B、 C 类主要分两部分，前面一部分是网络号，后面一部分是主机号。这很好理解，大家都是六单元 1001 号，我是小区 A 的六单元 1001 号，而你是小区 B 的六单元 1001 号。

下面这个表格，详细地展示了 A、B、C 三类地址所能包含的主机的数量。

这里面有个尴尬的事情，就是 C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个。当时设计的时候恐怕没想到，现在估计一个网吧都不够用吧。而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了。6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

无类型域间选路（CIDR）

于是有了一个折中的方式叫作无类型域间选路，简称 CIDR。这种方式打破了原来设计的几类地址的做法，将 32 位的 IP 地址一分为二，前面是网络号，后面是主机号。

10.100.122.2/24，这个 IP 地址中有一个斜杠，斜杠后面有个数字 24。这种地址表示形式，就是 CIDR。后面 24 的意思是，32 位中，前 24 位是网络号，后 8 位是主机号。

伴随着 CIDR 存在的，一个是广播地址，10.100.122.255。如果发送这个地址，所有 10.100.122 网络里面的机器都可以收到。另一个是子网掩码，255.255.255.0。

将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

公有 IP 地址和私有 IP 地址

表格最右列是私有 IP 地址段。平时我们看到的数据中心里，办公室、家里或学校的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址段。因为这些地址允许组织内部的 IT 人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，你学校的某个私有 IP 地址段和我学校的可以是一样的。

公有 IP 地址有个组织统一分配，你需要去买。如果你搭建一个网站，给你学校的人使用，让你们学校的 IT 人员给你一个 IP 地址就行。但是假如你要做一个类似网易 163 这样的网站，就需要有公有 IP 地址，这样全世界的人才能访问。

MAC 地址

在 IP 地址的上一行是 link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff，这个被称为 MAC 地址，是一个网卡的物理地址，用十六进制，6 个 byte 表示。

MAC 地址更像是身份证，是一个唯一的标识。它的唯一性设计是为了组网的时候，不同的网卡放在一个网络里面的时候，可以不用担心冲突。从硬件角度，保证不同的网卡有不同的标识。

MAC 地址是有一定定位功能的，只不过范围非常有限。所以 MAC 地址的通信范围比较小，局限在一个子网里面。

网络设备的状态标识

我们再来看 <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> 是干什么的？这个叫做 net_device flags，网络设备的状态标识。

UP 表示网卡处于启动的状态；
BROADCAST 表示这个网卡有广播地址，可以发送广播包；
MULTICAST 表示网卡可以发送多播包
LOWER_UP 表示 L1 是启动的，也即网线插着呢

ip addr 一些参数解析

这五类地址中，还有一类 D 类是组播地址。使用这一类地址，属于某个组的机器都能收到。这有点类似在公司里面大家都加入了一个邮件组。发送邮件，加入这个组的都能收到。组播地址在后面讲述 VXLAN 协议的时候会提到。

在 IP 地址的后面有个 scope，对于 eth0 这张网卡来讲，是 global，说明这张网卡是可以对外的，可以接收来自各个地方的包。对于 lo 来讲，是 host，说明这张网卡仅仅可以供本机相互通信。

lo 全称是 loopback，又称环回接口，往往会被分配到 127.0.0.1 这个地址。这个地址用于本机通信，经过内核处理后直接返回，不会在任何网络中出现。

MTU1500 是指什么意思呢？是哪一层的概念呢？最大传输单元 MTU 为 1500，这是以太网的默认值。MTU 是二层 MAC 层的概念。MAC 层有 MAC 的头，以太网规定正文部分不允许超过 1500 个字节。正文里面有 IP 的头、TCP 的头、HTTP 的头。如果放不下，就需要分片来传输。

qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？qdisc 全称是 queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，它都需要按照为这个接口配置的 qdisc（排队规则）把数据包加入队列。

最简单的 qdisc 是 pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列
pfifo_fast 稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。三个波段（band）的优先级也不相同。band 0 的优先级最高，band 2 的最低。如果 band 0 里面有数据包，系统就不会处理 band 1 里面的数据包，band 1 和 band 2 之间也是一样。数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段（band）里面的。TOS 是 IP 头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。

DHCP与PXE：IP是怎么来的，又是怎么没的？

如何配置 IP 地址？

使用 net-tools：

$ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24

$ sudo ifconfig eth1 up

使用 iproute2：

$ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1

$ sudo ip link set up eth1

在同一个局域网内，想进行通信，一定要在同一个网段。否则无法发送包。举例说明

192.168.1.6 就在你这台机器的旁边，甚至是在同一个交换机上，而你把机器的地址设为了 16.158.23.6。企图 ping 192.168.1.6，实际无法成功。

访问需要需要下层的，所以一定需要得到 192.168.1.6 的 mac 地址，但是如果不在相同网段 linux 不会使用 ARP 协议去请求 mac 地址。所以无法访问。
那请求会怎么走呢？不同网段访问是会走到网关处的，所以他会访问网关。
** 如果配置了网关，会先试用使用网关的 mac 地址作为第一跳走网关，当然这个 mac 地址肯定和 192.168.1.6 机器不同，所以肯定不会被 192.168.1.6 所接受。
** 如果没有配置网关，直接包发不出去~
** 如果强行想设置 16.158.23.6 的网关是 192.168.1.6，不好意思，linux 会直接报错拒绝，因为网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段的。

所以，当你需要手动配置一台机器的网络 IP 时，一定要好好问问你的网络管理员。如果在机房里面，要去网络管理员那里申请，让他给你分配一段正确的 IP 地址。当然，真正配置的时候，一定不是直接用命令配置的，而是放在一个配置文件里面。不同系统的配置文件格式不同，但是无非就是 CIDR、子网掩码、广播地址和网关地址。

动态主机配置协议（DHCP）

我们需要有一个自动配置 ip 的协议，也就是动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），简称 DHCP。

有了这个协议，网络管理员就轻松多了。他只需要配置一段共享的 IP 地址。每一台新接入的机器都通过 DHCP 协议，来这个共享的 IP 地址里申请，然后自动配置好就可以了。等人走了，或者用完了，还回去，这样其他的机器也能用。

所以说，如果是数据中心里面的服务器，IP 一旦配置好，基本不会变，这就相当于买房自己装修。DHCP 的方式就相当于租房。你不用装修，都是帮你配置好的。你暂时用一下，用完退租就可以了。

解析 DHCP 的工作方式

第一步：客户机发起 DHCP Discover

新来的机器使用 IP 地址 0.0.0.0 发送了一个广播包，目的 IP 地址为 255.255.255.255。广播包封装了 UDP，UDP 封装了 BOOTP。其实 DHCP 是 BOOTP 的增强版，但是如果你去抓包的话，很可能看到的名称还是 BOOTP 协议。

第二步：DHCP Server 发起响应 DHCP Offer

如果一个网络管理员在网络里面配置了 DHCP Server 的话，他就相当于这些 IP 的管理员。他立刻能知道来了一个“新人”。这个时候，我们可以体会 MAC 地址唯一的重要性了。当一台机器带着自己的 MAC 地址加入一个网络的时候，MAC 是它唯一的身份，如果连这个都重复了，就没办法配置了。只有 MAC 唯一，IP 管理员才能知道这是一个新人，需要租给它一个 IP 地址，这个过程我们称为 DHCP Offer。同时，DHCP Server 为此客户保留为它提供的 IP 地址，从而不会为其他 DHCP 客户分配此 IP 地址。

DHCP Server 仍然使用广播地址作为目的地址，因为，此时请求分配 IP 的新人还没有自己的 IP。DHCP Server 回复说，我分配了一个可用的 IP 给你，你看如何？除此之外，服务器还发送了子网掩码、网关和 IP 地址租用期等信息。

第三步：客户机进行选择答复

如果有多个 DHCP Server，这台新机器会收到多个 IP 地址，简直受宠若惊。它会选择其中一个 DHCP Offer，一般是最先到达的那个，并且会向网络发送一个 DHCP Request 广播数据包，包中包含客户端的 MAC 地址、接受的租约中的 IP 地址、提供此租约的 DHCP 服务器地址等，并告诉所有 DHCP Server 它将接受哪一台服务器提供的 IP 地址，告诉其他 DHCP 服务器，谢谢你们的接纳，并请求撤销它们提供的 IP 地址，以便提供给下一个 IP 租用请求者。

此时，由于还没有得到 DHCP Server 的最后确认，客户端仍然使用 0.0.0.0 为源 IP 地址、255.255.255.255 为目标地址进行广播。在 BOOTP 里面，接受某个 DHCP Server 的分配的 IP。

第四步：DHCP Server 发出 ACK 包

当 DHCP Server 接收到客户机的 DHCP request 之后，会广播返回给客户机一个 DHCP ACK 消息包，表明已经接受客户机的选择，并将这一 IP 地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包，发给客户机，欢迎它加入网络大家庭。

IP 地址的收回和续租

客户机会在租期过去 50% 的时候，直接向为其提供 IP 地址的 DHCP Server 发送 DHCP request 消息包。客户机接收到该服务器回应的 DHCP ACK 消息包，会根据包中所提供的新的租期以及其他已经更新的 TCP/IP 参数，更新自己的配置。这样，IP 租用更新就完成了。

预启动执行环境（PXE）

管理员希望的不仅仅是自动分配 IP 地址，还要自动安装系统。装好系统之后自动分配 IP 地址，直接启动就能用了，这样当然最好了！

其实，这个过程和操作系统启动的过程有点儿像。首先，启动 BIOS。这是一个特别小的小系统，只能干特别小的一件事情。其实就是读取硬盘的 MBR 启动扇区，将 GRUB 启动起来；然后将权力交给 GRUB，GRUB 加载内核、加载作为根文件系统的 initramfs 文件；然后将权力交给内核；最后内核启动，初始化整个操作系统。

那我们安装操作系统的过程，只能插在 BIOS 启动之后了。因为没安装系统之前，连启动扇区都没有。因而这个过程叫做预启动执行环境（Pre-boot Execution Environment），简称 PXE。

PXE 协议分为客户端和服务器端，由于还没有操作系统，只能先把客户端放在 BIOS 里面。当计算机启动时，BIOS 把 PXE 客户端调入内存里面，就可以连接到服务端做一些操作了。