TCP/IP 协议

TCP/IP协议

应用层

最重要的一层，需要自己去实现。就是：设计并实现一个应用层协议。最知名的应用层协议：HTTP

前端和后端之间就是通过网络来进行交互的，交互的过程中，就需要约定好：前端发啥样的数据，后端回对应的数据。设计一个应用层协议，主要就是包含两个工作：

1. 明确传输的信息。
2. 明确传输的格式。

应用层模板

xml

1. 可读性好，但是运行效率不高，属于老的数据格式了。虽然也在用，但是用的越来越少了。
2. 特点：由标签构成： <标签名>内容</标签名> 标签名就是 key，标签值就是 value 通过标签就更好的提升了可读性。
3. 虽然提高了可读性，但是又引入了太多的辅助信息（标签名之类的） 就导致占用了更高的 网络带宽。
4. 所以 xml 就很少作为 应用层协议的 模板了，更多的是用来做一些配置文件。

json

1. 可读性好，但是运行效率不高。当下最流行的一种设计 应用层协议 的数据格式，通过 大括号 构成了键值对格式。
2. 一个 大括号 中有很多键值对，键值对之间使用 逗号 分割，键 和 值 之间使用 冒号 分割。
3. 要求 键 必须是字符串类型的 值允许有好多种（数字，字符串，布尔，数组，另一个 json）。
4. json 中表示字符串，单引号和双引号都可以，最后一个键值对，后面可以有逗号，也可以没有（标准要求是没有的，但是一般的 json 解释器都不会在意）。
5. json 要求 key 一定是字符串，因此 key 这里的引号可以忽略，除非 key 中包含了一些特殊符号（比如像 空格，-，就不能省略了）。

像这里，就出现了很多次 key。

json 和 xml 对比：

1. 相比于 xml 来说，json 也能保证可读性，同时又没有那么繁琐（占用的带宽小）.
2. json 虽然传输效率比 xml 高，但是然然要多传递一些冗余信息，就是 key 的名字，尤其是数组的时候，更明显。当表示数组的时候，就会有很多 key 重复出现，也就占用了带宽。出问题的请求和响应，一目了然。

protobuffer

1. 运行效率高，但是可读性不高。
2. 是一种 二进制格式 的数据，在 protobuffer 的数据中，不再包含 key 的名字。而是通过顺序以及一些特殊符号，来区分每个字段的含义。同时再通过一个 LDL 文件。来描述这个数据格式（每个部分是啥意思）。
3. LDL 只是起到一个辅助开发的作用，并不会真正的进行传输，传输的只是二进制的纯粹的数据。

传输层

虽然是操作系统内核实现，但是仍然有很大意义，进行网络编程都要用到 socket ，一旦调用了 socket，代码就进入传输层的范畴。如果代码出现 bug，就需要传输层的知识了。

端口号：0-65535 之间的整数。常见的端口号：80 http 服务器，443 服务器，22 ssh，23 ftp。

传输层常见的协议：UDP/TCP

UDP

UDP 的数据报文格式：由 UDP 报头，和UDP 数据载荷（完整的应用层数据）。把应用层数据报分装成 UDP 数据报，本质上就是在应用层数据包的基础上，添加了 8 个字节的报头。

1. 目的端口就是服务器端口，源端口就是操作系统给客户端自动分配的端口。端口号会被打包到 UDP 数据报中。
2. 报文长度是 2 个字节，0-64k 在现代互联网当中，就可能不够用了。数据大的话，就会进行拆包，然后分为多个发送，接收方再重新拼接起来，但是可能回出现丢包和乱序，所以就改成 TCP 来解决，因为 TCP 没有大小限制。
3. 校验和就是用来验证网络传输的这个数据是否正确。因为网络传递的本质就是：光信号和电信号，但是外界的磁场之类的会影响到结果。可能就会导致 0 变成 1，就导致数据出错了，所以校验和就能帮助我们发现数据中的错误。还可以使用数据内容参与运算，如果是基于数据内容得到的校验和，那么数据出错的话，被识别出来的概率还是很高的。这里的 校验和 与 以太网 的校验和一样。

TCP

TCP 的报文格式：

TCP 是一个非常非常重要的协议，在实际开发中广泛使用。特点：有连接，可靠传输，面向字节流，全双工。

可靠传输

可靠传输是 TCP 的核心机制。引入 TCP 的关键原因，就是为了保证可靠传输。在小的时候，通过手机给其他人发短信，可能对方收到短信的顺序和我们发送的顺序不一样。也可能我们收到回复的顺序和对方发送的不一样。就像下面这样：

我们收到消息的时候，就可以先收到不回家的回复，然后在收到撸串的回复。这样的传输就是不可靠的。

实现可靠传输的核心：

1. 确认应答
2. 超时重传

确认应答

1. 确认应答就是发出去之后，对方收到了。但是消息可能会乱序。
2. 避免出现乱序，就可以根据编号机制来解决，根据编号就可以知道消息是第几条了。
3. 就是根据编号来确定当前的 应答报文 就是针对哪个消息进行的确认应答。

就像这样：

这样就可以确定是针对哪条报文来回答了。

超时重传

超时重传相当于对确认应答进行了补充，确认应答是网络一切正常的时候，通过 ACK 通知发送方收到了数据。

就像上面就出现了丢包的情况，那么就是丢包了。如果出现了丢包的情况，超时重传机制就要起到效果了。如果网络不是有太大问题，一般重传都是可以成功的。

如果是 ACK 丢了，虽然对方收到了消息，但是我收不到 ACK（ACK 丢了），发送方超出了等待时间，就会重新发送一次。那么就会导致接收方收到了重复的消息：

1. TCP 内部会有一个去重操作，接收方收到的数据会先放在操作系统的 接收缓冲区 当中的。
2. 收到新的数据，TCP 就会去 接收缓冲区 当中检查有没有这个消息，如果有，就丢弃，没有的话，就放到缓冲区。用来保证程序调用 socket API 拿到的这个数据一定是不可重复的。

重传如果失败，还会继续尝试，也不会无休止的重传，连续几次失败的话，就认为是网络遇到了严重的情况，再怎么重传也可能不行，就只能放弃（自动断开与 TCP 的连接）。重传的时间间隔会逐渐变大。

连接管理

连接管理也是 TCP 保证可靠性的一个机制，主要是两部分：

1. 如何建立连接。
2. 如何断开连接。

如何建立连接

客户端和服务器之间，通过三次交互（三次握手），完成了建立连接的过程。三次握手只是一个形象化的比喻：

1. 其实一次握手，就是一次交互的过程。就是客户端 给 服务器 发了一个数据，这就相当于一次握手。
2. 服务器再给客户端反馈一个数据，这就是另外一次握手。
3. 客户端 根据服务器的反馈，而进行反馈，告诉服务器，它接受到了它的反馈，

一共经历3次，就完成这个三次握手。实际上的流程就构图如下：

这个图太复杂，而且我们作为程序员，只需了解简化部分就好了：

第一次握手的时候客户端给服务器发一个 SYN 同步报文段。意思就是客户端要和服务器建立连接。


然后服务器也要再发送一个 SYN，表示服务器也想和客户端建立连接：

客户端收到服务器的 SYN 之后，也会立即返回一个 ACK：

这样的话，双方各自向对方发送 SYN，再各自向对方发送 ACK，双向奔赴之后就建立连接了。

如果 ACK 这一位为 1，就表示这个报文是一个确认报文段（确认应答报文也就是 ACK 为 1）。ACK 这一位为 1 的时候，起到一个应答效果，用来确认消息是已经送到了的。

中间的那两次一定是可以合二为一的，也就是三次握手了。

每次要传输的数据，都要结果一系列的封装和分用，才能完成传输。如果 服务器 的 SYN 和 ACK 分开发送的话，就会导致封装的次数变多，导致效率变低。

只要把六个标志位中的 ACK 和 SYN 变为 1。就可以封装在一起了。

封装在一起之后就是这个样子：

就是 三次握手 了。也就又回到我们刚开始的简化版本了。

三次握手的本质上是四次，因为之间的两次交互合二为一了。所以就是三次握手了。

常见的状态：

1. LISTEN：表示服务器启动成功，端口绑定成功，随时可以有客户端来建立连接。就像是手机开机，有信号，可以随时接电话。
2. ESTABLISHED：表示当前客户端已经连接成功，随时可以进行通信。类似有人给我打电话，已经接通了，可以进行交流了。

三次握手和可靠连接的关系

三次握手相当于是 ”投石问路“，检查一下当前网络是否满足可靠传输的基本条件。更具体的来说：三次握手确实也是在检测通信双方的 发送能力 和 接受能力是否正常。举例：甲 给 乙打电话：

在这个场景中，也就是一个三次握手的情况。就是在验证 麦克风 和 喇叭 是否可以正常工作。

所以 三次握手 的重要意义就是：投石问路。

如果网络不稳定，设备有问题，就是这种情况：

所以 ”三次握手“ 和 超时重传、确认应答 具有关联关系。

如何断开连接

断开连接就是：四次挥手。三次握手，就让客户端和服务器之间建立好了连接。其实在建立好连接之后，操作系统内核当中，就需要使用一定的数据结构来保存连接的相关的信息，保存的信息其实最重要的就是前面说的五元组：源IP、源端口、目的IP、目的端口、TCP。有一天，连接断开了，那么五元组保存的连接信息就没意义了，对应的空间就可以释放了。就像攒钱买了手机，就和手机联系在了一起。如果有一天又买了新的手机，把旧手机卖掉之后，就和旧手机的所有联系都断开了。

四次挥手，就是和对方断开连接：

就是双方各自向对方发送了 FIN（结束报文段）请求，并且各自给对方一个 ACK 确认报文。这样的话，就完成了四次挥手。四次挥手就是各自和对方说断开连接。

四次挥手中重要的状态：

CLOSE_WAIT：

1. 四次回收挥了两次之后出现的状态，这个状态就是在等待代码中调用 socket.close 方法，来进行后续的挥手过程。
2. 正常情况下，一个服务器上面不应该存在大量的 CLOSE_WAIT 如果存在，说明大概率是代码 bug，close 没有被执行到。

TIME_WAIT：

1. 谁主动发起 FIN，谁就进入 TIME_WAIT。
2. 起到的效果：就是给最后一次 ACK 提供重传机会，表面上看起来 A 发送完 ACK 之后，就没有 A 的啥事了。
3. 按理说 A 就应该销毁链接，释放资源了，但是并没有直接释放，而是会进入 TIME_WAIT 状态等待一段时间，一段时间后，再来释放资源。等这一会儿，就是怕最后一个 ACK 丢包了，如果丢包了，就意味着 B 过一会儿就会重传 FIN。
4. 如果最后一个 ACK 丢了，B 就无法区别是 FIN 丢了，还是 ACK 丢了。于是 B 就假设 FIN 丢了，就重传 FIN（超时重传）。因为如果断开的太早，就没办法继续重传了。
5. TIME_WAIT 持续时间：2*MSL MSL：表示网络上任意两点之间，传输需要的最大时间。这个时间也是系统上可以配置的参数，一个典型的设置就是：60s（经验值）。

四次挥手和三次握手的区别

1. 三次握手，一定是客户端主动发起的（主动发起的一方才叫客户端）。
2. 四次挥手，可能是客户端主动发起，也可能是 服务器 主动发起的。
3. 三次握手，中间两次能合并。
4. 四次挥手，中间有两次合并不了（有时候是能合并）不能合并是因为 B 给 A 发送的 ACK 和 FIN 的时机是不同的。
5. 三次握手中：B 发生的 ACK 和 SYN 是同一时机发生的，就能够合并。此处的 B 给 A 发送的 ACK 和 SYN 都是操作系统内核负责的。
6. 四次挥手中：B 给 A 发的 FIN 是用户代码负责的（B 的代码中调用了 socket.close()方法，才会触发）。

滑动窗口

滑动窗口存在的意义是，保证可靠性的前提下，尽量提高传输效率。先来看看不使用滑动窗口的传输机制是什么样子：

从图里就可以看到，由于确认应答机制存在，就导致了当前每次执行一次发送数据，都需要等待上一个 ACK 到达，大量的时间都浪费在等待 ACK 上面了，就导致效率变低了。

使用滑动窗口就是一次发送一波数据：

就相当于是一次发了 4 组数据，在发生这 4 组数据的过程中，不进行等待，这四组都发完了再统一等。

也就是把等待多份 ACK 的时间压缩成等待一份 ACK 了。

如果一次批量发送的数据位 N，统一等待一波，那么 N 就是窗口大小。等到第一波的第一组 ACK 之后，就发送下一组数据。”滑动“ 的意思是：并不用把 N 组数据的 ACK 都等到了，才继续往下发送。而是收到一个 ACK，就继续往下发一组。

就像当前是在的等待 1001、2001、3001、4001 四组 ACK，不需要等到 4001 到了，才继续往下发。

只要 1001 到了。就可以往下多发一组（4001-5000），如果是 2001 到了，就继续往下发一组（5001-6000），此时等待的
ACK 的范围就是 3001、4001、5001、6001。

如下图：

滑动窗口的窗口越大，就可以认为传输速度越快，窗口大了，同一份时间内等待的 ACK 就更多。总的等待 ACK 的时间就少了。

丢包

丢包分成两种：

1. ACK 丢了
2. 数据丢了

ACK 丢了：

图片这里就是 ACK 丢了。

1. 在发送 4001 的数据之前，发现收到了一个 2001 的 ACK，1001 并没有收到.
2. 这里的 1001 已经不重要了。因为 2001 的意思就是：2001 之前的数据全都已经确认收到了。
3. 由于 ACK 确认序号的含义，就保证了后一条 ACK 就能涵盖前一条。
4. 确认序号的含义：表示当前序号之前的数据全都收到了。
5. 就像发送方收到了 5001，就意味着 1-5000 的数据都确认收到了，3001、4001 被丢包也毫不影响。只要收到了 5001，就涵盖了 3001、4001 表达的信息。

数据丢了：
就像下面的图片这样：

由于 1001-2000 这个数据丢了，所以 B 就再反复索要 1001 这个数据。即使 A 给 B 已经发后面的数据了，这个时候 B 仍然再索要 1001 这个数据。

当 A 被 B 索要多次之后，A 就明白了这个数据丢了，就会触发重传。

当 B 收到这个数据的时候，返回的 ACK 直接就是 7001 了。

重传 1001-2000 数据之前，接受缓冲区如下：

重传之后就是把缺口补上了，后面那些数据已经传过了，就不用再重传了，然后 B 就向 A 索要从 7001 开始的内容就好了：

快速重传就像是看直播的时候有事忙，等忙完的时候把拉下的一部分再补起来就好了。

流量控制

流量控制是滑动窗口的延申，目的也是为了可靠性。

1. 滑动窗口越大，传输速率越高，不光要考虑发送方，还得考虑接收方。
2. 发送方发的太快，接收方处理不过来，就会把新收的包给丢了，发送方还得重传。
3. 流量控制的关键是能够衡量接收方的速度，直接使用接收方接受缓冲区的剩余空间大小，来衡量当前的处理能力。
4. 可以把接收缓冲区理解为一个阻塞队列。B 的应用程序，在调用 read 方法的时候，就是从接收缓冲区中来取数据。通过 ACK 报文来看缓冲区大小，如果接收方反馈的窗口大小是 0，那么发送方也会发一个信息，用来探测有没有空间。

就像下面图片这样，也类似于一个生产者消费者模型：

这个过程就像一个水池：

探测接收缓冲区剩余大小的具体流程：

首先 A 给 B 发送 1000 数据的时候，B 返回数据的时候会返回接收缓冲区还剩 3000（就是 B 主机 1001 ACK 的右边的 3000） 的空间，那么下一次 A 就可以一次发送 3000 数据了。当 B 收到 3000 数据的时候，剩余缓冲区的大小就是 0 了。不过要注意的是： 当接受缓冲区大小为 0 的时候，A 也会继续发送窗口探测数据，当探测到接受缓冲区剩余大小又可以发送数据的时候，就可以继续发送数据了。

拥塞控制

拥塞控制也是滑动窗口的延申，也是限制滑动窗口的发送速率。控制衡量的是：

1. 发送方到接收方 整个链路之间的拥堵情况，都会影响传输速率。
2. 开始的时候，以一个比较小的窗口来发送数据，如果数据很流畅的到达了，那么就加大窗口大小。
3. 加大到一定程度之后，出现了丢包（就意味着链路出现拥堵了），然后再减小窗口。
4. 通过反复的 增大/减小 最终达到”动态平衡“。通过拥塞窗口来限制滑动窗口的大小。
5. 最终滑动窗口的大小 由 拥塞窗口 和 流量控制窗口共同决定，由小的一方决定。一旦丢包，就立刻让窗口变小，降低速度，然后继续去试探的增大。
6. 如果把窗口一下变得很小，就是期望这次传输，一定能成功。

过程如下图：

就像这样：

一开始指数增长是因为，初始窗口太小，而我们实际上可能触发丢包的值很大。因此，指数增长就可以帮我们快速找到，丢包的界限。

但是增长到一定的程度时，就会进入线性增长。因为即将达到丢包的界限，如果再来指数增长，就可能一次越界，直接触发丢包。如下图：

当线性增长达到丢包的界限，发生丢包之后，就让拥塞窗口立即变小，回归到初始窗口的大小。一次变得很小之后，也就是希望这次传输一定能成功。如下图：

延时应答

相当于流量控制的延申，流量控制是踩了下刹车，使发送方发的不要太快。延时应答就是在这个基础上，能尽量的再让窗口更大一些。就是在有限的情况下，尽可能提高一点传输速度。如下图：

捎带应答

又是延时应答的延申，客户端和服务器之间的通信：由以下几种模型：

1. 一问一答，客户端发一个请求，服务器返回一个对应的响应。
2. 多问一答：上传文件 最常用的就是这个模型。
3. 一问多达：下载文件。
4. 多问多答：直播，串流。

面向字节流

面向字节流会引起：“粘包” 问题。指的是在应用层数据报，在 TCP 缓冲区中，若干个 应用层数据报混在一起了，分不出来谁是谁。如下图：

进行一次读操作的话，就把 aaabbbccc 都读走了。

解决粘包的方法：关键就是要在应用层协议这里，加入包之间的边界。粘包问题世界是应用层的问题。例如：约定每个包以 ；结尾。这个时候只要能够按照 ；来进行切分，就可以区分出当前从哪到哪是一个完整的包。如果通过 框架/库 的话，一般粘包问题就已经被 库/框架 处理了。

TCP 异常处理

进程终止

就是触发关闭文件操作，很正常的关闭。就像任务管理器当中的关闭：

一点结束任务，进程就关了。此时进程的 TCP 连接就断开了。此处的文件相当于 “自动关闭” ，这个过程其实和手动调用 socket.close() 一样，都会触发 4 次挥手。

机器关机

就是按照操作系统的正常流程关机，正常流程的关机，会让操作系统杀死所有进程，然后再关机。就和 进程终止 一模一样了。

机器断电/网线断开

就像是台式机拔电源，这样的话，操作系统就没有任何处理措施。就分为两种情况：

1. 服务器断电，如下：
2. 客户端断电，如下：

TCP 和 UDP 对比

1. 对可靠性有一定要求，就使用 TCP。
2. 对可靠性要求不高，对于效率要求更高，使用 UDP。

基于 UDP 如何实现可靠传输

那就根据 TCP 怎么实现的，UDP 的在传输层也照着实现一遍就好。本质就是在应用层基于 UDP 复刻 TCP 的机制。

网络层（IP 协议）

IP 协议完成两方面工作：

1. 地址管理
2. 路由选择

IP 协议的报头结构和作用：

那么在分包之后，就是i通过里面的标识，来确定是同一个包，通过 13 位片偏移来确定包的顺序。那么剩下的 “三位标志位” 的作用： 如果是 0 就是表示还有后续，如果是 1，就表示这是最后一个包了。如果 UDP 实现分包组包，也是照着抄 TCP 作业就好了。

8 位生存时间：

1. 表示一个 IP 数据报，在网上还能存在多久，单位是 转发次数 。
2. IP 数据报被发送的时候，会有一个初始的 TTL（常见的是 128、64），IP 数据报每次经过一个路由器， TTL 就会 -1.
3. 如果 TTL 减到 0 了，此时遭受到这个白的路由器就会把这个包给弄丢。
4. 主要就是有些包里面的 IP 地址，可能是永远也到不了的。像这样的包，不可能在网络上无休止的转发（占用硬件资源太多了）。
5. 正常的 IP 数据报都会在既定的 TTL 内来到达。

8 位协议：传输层使用的是 哪种 协议，TCP 或者是 UDP 都有不同的取值。

16位首部校验和： 也是用来校验数据是否正确。

地址管理

如图：

1. 源 IP 表示发件人地址，目的 IP 表示收件人地址。
2. 对于 IPv4 来说，一个 IP 地址本质上是 32位 的整数。通常会使用 “点分十进制” 来表示这个 IP 地址。三个点，就把 32 位整数分成 4个 部分，每个部分 1 个字节，每个部分的取值就是 0-255。

IP 地址又有两部分： 网络号+主机号。

1. 网络号：描述当前的网段信息（局域网的标识）
2. 主机号：区分了局域网内部的主机

我们的家里面就是一个局域网，要求：同一个局域网里，不同主机之间的网络号是相同的，主机号不能相。两个相邻的局域网，也是不同的。如下图：

那么，到底前多少个 bit 位是网络号，其实是不固定的。通过引入 “子网掩码” 这样的概念来表示多少个 bit 位是网络号。

子网掩码： 也是一个 32 位，点分十进制来表示的整数。

1. 子网掩码的左侧都是 1，右侧都是 0（不会 1 0 混着排列）
2. 左边的这些 1 就表示哪些位是网络号，剩下的 0 就表示哪些位是 主机号。

就像这样：

一般家用的场景中，一个局域网设备很少（不会超过 255 个），常见的子网掩码就是 255.255.255.0，如果一个局域网设备多了，子网掩码就会出现一些其他值。

特殊的 IP

IP 地址中，还有特殊的 IP：

1. 如果主机号全是 0，那么该 IP 就表示网络号（局域网里的正常设备，主机号不能为 0）
2. 如果 IP 的主机号全是 1，该 IP 就表示”广播地址“，往这个广播地址上发的消息，整个局域网中都能收到。
3. IP 地址是 127 开头的，就表示”环回 IP“表示主机自己（127.0.0.1：环回 IP 中的典型代表）
4. IP 地址是 10 开头 或者 192.168 开头 或者 172.16-172.31 开头，就表示该 IP 地址是一个局域网内部的 IP（内网 IP）
5. 除此之外，剩下的 IP 称为 外网IP（直接在广域网上使用的 IP）要求外网IP 一定是唯一的，每个外网 IP都会对应到唯一的一个设备，内网 IP 只是在当前局域网中是唯一的，不同局域网里，可以有相同的内网 ip 的设备。

IP 地址不够用

不同的局域网里，有相同的 IP 设备，主要就是因为当前的 IPv4 协议，使用的地址是 32 位的整数。32 位整数表示的数据范围，就是 42亿9千万。如果给每个设备都分配一个唯一的 IP 地址，就意味着世界上的设备不能超过这么多。所以就有了这样的方式。解决 IP 地址不够用：

1. 动态分配 IP 地址：每个设备连上网的时候，才有 IP，不联网的时候就没 IP（这个IP就给别人用），通过 动态IP 来解决 IP地址不够用的问题。
2. NAT 机制：就是让多个设备共用一个 IP（外网IP）把网络分为 内网 和 外网。内网可以共用一个 外网的IP。也就是这里的外网 IP，会给所有接入这个运营商设备的局域网都来使用这个 外网IP。外网区分内网的数据，就是通过端口号来区分的。网络的连接，是一个 五元组，即使是 IP 相同也没事。有 NAT 机制，就会隐含一个重要的结论： a）对于一个 外网IP 来说，可以在互联网的任意位置都能访问到， b）对于一个 内网IP 来说，只能在当前局域网内部访问，就是 局域网1 的设备，不能使用内网访问 局域网2 的设备。 c）内网IP 是可以重复的，只有在局域网内才是唯一的。 d）不同的局域网访问的话，就需要一个带有 外网IP 的机器，然后 局域网1 把数据放到 外网服务器，然后 局域网2 就可以访问到外网服务器，就会修改 IP数据报，把内网发出的 源IP，改为 外网IP。 e）NAT 也是存在极限的，端口号个数是 65535，如果一个局域网内的连接数超过了 65535，这时候 NAT 就不一定好使了，因为端口号不够用了。NAT 相当于是续命了，并不是从根本解决。
3. IPv6 ：从根本解决了 IP 地址不够用的问题。因为 IPV6 在报头中使用了更长的字段来表示 IP地址，使用 16 个字节来表示。16个字节，128位，之前是 4个字节，32位。IPv6 比 IPv4 能表示的多很多很多。IPv6 地址如下： IPv6 使用率不是很高的原因是：支持 IPV4 和 IPV6 需要两截然不同的机制。现有的大量网络设备（路由器…）很可能只支持 IPV4，不支持 IPV6。IP地址的划分，是通过 子网掩码 划分的，在子网掩码之前，是通过 ”分类” 的方式来划分的，把 IP 地址分成了 ABCDE。这五类，每一类分别都有几位是 网络号，几位是 主机号。

路由管理

路由选择也就是规划路径，当两个设备之间，要找出一条通道，能够完成传输的过程。IP 协议的路由选择也是类似的：

1. IP数据报 中的目的地址，就表示了这个包要发送到那里去，如果路由器认识目的地址，就会告诉路。
2. 如果不认识路，就告诉大概方向，走到下一个路由器的时候继续问，依次往后走，也就是离目标越来越近，最后就可以找到这个地址。
3. 有的时候，不光遇到认识地址的路由器，而且还认识很多路，就可以选择合适的路了。
4. 路由器内部维护了一个数据结构（路由表），记录了一些网段信息（网络号，）以及每个网络号对于的网络接口。

数据链路层

数据链路层主要的协议是：以太网。每个网卡，都有 mac地址，是唯一的，在网卡出厂的时候就写死了。以太网数据帧：

1. mac地址，表示传输过程中相邻两个设备的关系。以太网数据帧的末尾会有 CRC算法的校验和：循环冗余算法，把数据的每个字节一次进行累加（溢出就溢出）
2. IP 用来表示一次传输过程中的起点和终点（不考虑 NAT 的情况，一个 IP 数据报中的 源IP 和 目的IP 是固定的）
3. mac 用来表述传输过程中，任意两个相邻节点之间的地址（一个以太网数据帧，在每次转发过程中，源 mac 和 目的 mac 都会改变）
4. MTU：一个以太网数据帧能够承载的数据范围，这个范围取决于硬件设备。以太网和硬件也是密切相关的，不同的硬件设备，对应的 数据链路层协议，可能又不一样，MTU 也不相同。MTU 对IP 的影响；主要影响就是分包的过程。
5. MSS：TCP 中在 IP 不分包的前提下，最多搭配多少载荷： a）一方面取决于 MTU。另一方面取决于 TCP 和 IP 的报头。 b）当 TCP 传输的数据长度不高于 MSS 的时候，是处于最高效的状态。 c）ARP 报文并不是用来传输数据的，只是起到一个辅助的效果。 d）路由器拿到一个 IP地址（目的IP），通过 IP地址，来决定接下来这个数据咋走（从哪个端口出去，发到哪个设备上）。 d）所以就得决定，接下来封装的以太网数据帧，目的 mac 是啥，需要根据 ARP协议，建立起 IP -> mac 这样的映射关系。 e）当设备启动的时候，就会向局域网当中，广播 ARP报文，每个设备收到的时候，都会做一个应答。 f）应答信息中就包含了自己的 IP 和 mac，发起广播的那一方，就可以根据这些回应，建立起这个映射表了。

特殊的协议

DNS

DNS 是一个应用层协议，是域名解析。

对于一些难记的地址，就可以使用一串英文单词来表示这个 ip地址，这串英文单词，就叫做域名。域名和 IP地址 之间是一一对应的关系。

DNS 系统：DNS 系统，最开始的时候，只是一个普通文件，称为 hosts 文件。如下图：

打开之后就是这样：

现在 hosts 文件已经不使用了，因为域名太多了，不可能去一直修改 host 文件。于是有了一个机构，专门负责处理这些 域名 和 IP 的对应关系。如果想要对域名进行解析的话，就访问一下这个服务器（域名解析服务器）就好了，每个城市都会有镜像服务器，我们一般都是在访问镜像服务器。

当我们的主机，查询了 DNS 之后，主机就会把这个查询结果缓存一定的时间（浏览器来进行缓存）下次再访问到同一个域名的时候，就可以省略查询 DNS 的过程了。

NAPT

这个就是当 端口号重复时的情况，它的处理机制就是 NAPT。

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。
例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项；
在断开连接后，就会删除这个表项