数据路由。
计算机 A 与 B 之间的数据通信可以认为是通过一个虚拟的互连网络进行传输的。
「每一个唯一的网络设备都有一个唯一的 IP 地址。不同于 MAC 地址是不可改变的，IP 地址会根据当前设备所连接的网络环境的变化而发生变化」。
例如一个 IP 地址：192.168.11.11 => 11000000.10101000.00001011.00001011
IP 数据报 = IP 首部 + IP 数据报的数据，「IP 数据报的报文格式」 如下所示:
占4位，指的是 IP 协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即 IPv4，也有 IPv6。
占4位，最大数值为15，表示的是 IP 首部长度，单位是 32位字（4个字节）。所以 IP 首部的 「最大长度为 15 * 4 = 60字节」。
表示当前的数据包是高优先级的，还是低优先级的。数据包是按照 TOS 被分配到3个波段（band0、band1、band2）里面的。
占16位，最大数值为65535，表示的是 IP 数据报的总长度（IP 首部 + IP 数据）。
需要注意的是，「数据在数据链路层中的传输受最大传输单元 MTU 的限制，而 MTU 一般为为 1500 个字节，如果 IP 数据报的长度高于 MTU 的话，数据链路层将会把 IP 数据报进行 分片，即拆分成多个数据帧进行传输」。
协议内部自身使用，不需要关注。
占3位，目前只有两位是有意义的，「标识是否进行分片」。
占 13 位，「如果发生了分片，这里将会记录当前的数据帧保存的是第几个偏移的 IP 数据」。
占8位，「表明 IP 数据所携带的具体数据是什么协议的」。（例如：TCP、UPD 等等）
协议值ICMP1IGMP2IP4TCP6UDP17OSPF89「占16位，校验 IP 首部是否有错，接收方在接收了 IP 数据报文之后会进行头部的校验，如果出错会进行丢弃」。
发送 IP 数据报文的 IP 地址。
数据报到达的 IP 的地址。
数据是从目的设备传输到下一个网络1，又从下一个网络1传输到路由器，又从路由器跳到下一个网络2，所以是一跳一跳，即 hop-by-hop。
因为规划和分配 IP 地址非常麻烦。
组成形式：网络号 + 主机号
通常有如下三种类型的 IP 地址：
「A 类：首位为0，网络号为 8 位，主机号为24位」。「B 类：首位为10，网络号为 16 位，主机号为16位」。「C 类：首位为110，网络号为 24 位，主机号为8位」。「本地回环地址(Loopback Address)：127.0.0.1，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会废弃的接口。在 Windwos 操作系统中也有相似的定义，所以一般在安装网卡前就可以 ping 通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否是正常的」。代码如下所示：
quchao@quchaodeMacBook-Pro EMC-MBANK-ANDROID % ping 127.0.0.1 PING 127.0.0.1 (127.0.0.1): 56 data bytes 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.068 ms 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.103 ms 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.081 ms 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.081 ms 复制代码它们都仅用作特殊用途。
某公司拥有256名员工，每人配备一个计算机，请问该公司应该申请哪种网络段？
❞分配 B 类地址，但是一个 B 类地址所能容纳的主机数量为 2^16-2，这会造成极大的浪费。为了解决这个问题，需要划分子网。
例如：将 193.10.10.0 这个 IP 划分为 193.10.10.0 ~ 193.10.10.127 与 193.10.10.128 ~ 193.10.10. 255。
❝子网这么多，如何判断某个 IP 的网络号？
❞「快速地判断某一个 IP 属于哪一个子网号，通过 IP & 子网掩码 = 该 IP 对应的子网号」。子网掩码的组成特点如下所示：
1）、「与 IP 地址一样，都是32位」。2）、「由连续的1和连续的0组成」。3）、「某一个子网的子网掩码具备网络号位数个连续的1」。例如 A、B、C 类的子网掩码地址：A类：255.0.0.0，B类：255.255.0.0，C类：255.255.255.0
「CIDR 使用了斜线记法，例如：193.10.10.129/25 表示网络号为 25 位，主机号为 7位」。一般家里都是使用 /24 的 CIDR，此时整个网络里面的第一个地址为 192.168.0.1，往往就是私网的出口地址。例如：家里面的电脑连接 WIFI，WIFI 路由器的地址就是 192.168.0.1，而 192.168.0.255 就是广播地址。
❝loopback 是什么？
❞「即环回接口，通常会被分配到 127.0.0.1 这个地址，它用于本机内部通信，经过内核处理后直接返回，不会再任何网络中出现」。
❝某公司总共有 200 名员工，需要拆分成两个部分，每个部分使用一个小型网络，如何使用 CIDR 进行划分？
❞可以使用一个 /24 作为一个中型网络（在 CIDR 中被称为超网），旗下有两个 /25 作为一个小型网络（在 CIDR 中被称为子网）。
在 IP 数据的转发过程中，A 将 IP 数据报交给数据链路层，并告知其目的 MAC 地址是 E。这里 A 是如何知道目的 MAC 地址是 E 的呢？
❞「ARP 协议将网络层 IP 32位地址转换为数据链路层 MAC 48位地址」。
「缓存了 IP 地址到硬件地址之间的映射关系。有缓存时直接从缓存中取出即可，没有缓存时则会和 MAC 地址表获取地址时使用的广播形式类似」，即
1）、「E 检查 MAC 地址表，发现没有 C 的信息」。2）、「E 将广播 A 的数据包到除 A 以外的端口」。3）、「E 将收到来自 B、C 的回应，并将地址记录」。「ARP 缓存是 ARP 协议和 RARP 协议运行的关键。此外，ARP 缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限」。
使用 arp -a 命令，如下所示：
quchao@quchaodeMacBook-Pro EMC-MBANK-ANDROID % arp -a ? (22.1.253.254) at 0:10:db:ff:10:0 on en0 ifscope [ethernet] ? (224.0.0.251) at 1:0:5e:0:0:fb on en0 ifscope permanent [ethernet] ? (239.255.255.250) at 1:0:5e:7f:ff:fa on en0 ifscope permanent [ethernet] 复制代码「ARP 协议被直接封装在了数据链路层中的数据帧里面的」。
❝既然 ARP 协议是直接被封装在数据链路层中的数据帧里面的，那么为什么它是属于网络层的内容？
❞主要是因为 「ARP 协议使用到了网络层的 IP 地址」。
「不改变 IP 地址的网关，我们称为转发网关；改变 IP 地址的网关，我们称为 NAT 网关」。
❝为什么要使用 NAT？
❞ 1）、「IPv4 最多只有40+亿个 IP 地址」。2）、「早期 IP 地址的不合理规划导致 IP 号浪费」。对于公司，它可以在外部使用全球唯一的外网 IP 地址，通常在内部使用一个 B 类内网地址即可。
同理，对于家庭可以在外部使用全球唯一的外网 IP 地址，通常在内部使用一个 C 类内网地址即可。
❝问题：内网的多个设备使用同一个外网 IP 请求外网服务，外部是怎么样才能知道是哪一个内网设备请求的呢？
❞「使用 NAT ，它用于多个主机通过一个公有 IP 访问互联网的私有网络，并减缓了 IP 地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度」。
例如如下两个 NAT 转换过程：发送数据时，A 设备内网地址和端口号 => 外网地址与端口号：192.168.2.11:6666 => 173.21.59.10:16666，B 设备内网地址和端口号 => 外网地址与端口号：192.168.2.10:7777 => 173.21.59.10:17777。
「由于同时转换了 Port ，即进行了 端口映射，NAT 也可称为 NA(P)T」。
ICMP 协议主要是用于 「辅助 IP 协议发送与接收数据的，它可以报告错误信息或异常情况」。
「ICMP 协议被封装在 IP 数据报的数据之中，其也分为 报文首部与报文数据。如果需要使用 ICMP 协议，则需要在 IP 协议首部的8位协议中写入1，以表明 IP 数据所携带的具体数据是 ICMP 协议的」。
差错报告报文具体分为 「七种类型」，而 「大部分的报文类型是由类型的值和具体代码组成的」。具体如下图所示：
询问报文具体分为 「两类」，它仅仅是由 「类型的值」 决定的。具体如下图所示：
常用的 ping 就是查询报文，是一种主动请求并且获得主动应答的 ICMP 查询报文，如下：
ICMP ECHO REQUESTZ：「对 ping 的主动请求进行网络抓包」。ICMP ECHO REPLY：「主动请求的回复」。所以，ping 发的包也是符合 ICMP 格式的，仅仅增加了一些自己的格式。如下所示：
1）、「标识符：派出去两队侦察兵，一队是侦查战况的，一队是去查找水源的，要有个标识才能区分」。2）、「序号：派出去的侦察兵，都要进行编号，便于知道前线的战况」。3）、「发送请求时间值：存放在选项数据中，用来计算往返时间和路程的长短」。ping 命令执行时，源主机会构建一个 ICMP 请求数据包，其中有两个最重要的字段，如下：
1）、「类型：对于请求数据包，此值为8」。2）、「顺序号：区分连续 ping 时发出的多个请求数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加1」。例如 ping www.wanandorid.com 网站，如下所示：
quchao@quchaodeMacBook-Pro cmmp-core-client-android % ping www.wanandroid.com PING www.wanandroid.com (47.104.74.169): 56 data bytes 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=0 ttl=51 time=51.877 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=1 ttl=51 time=52.416 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=2 ttl=51 time=48.942 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=3 ttl=51 time=45.816 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=4 ttl=51 time=48.336 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=5 ttl=51 time=42.358 ms ç64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=6 ttl=51 time=49.428 ms 64 bytes from 47.104.74.169: icmp_seq=7 ttl=51 time=41.963 ms 复制代码遇到网络不通的问题时，除了直接 ping 目标 IP 地址，头脑中年还应该有一个清晰的网络拓扑图，并且需要清楚地知道一个包从源地址传到目标地址要经过哪些设备，然后逐个 ping 中间的这些设备或机器，通常的排查步骤如下所示：
1）、「ping 回环地址 127.0.0.1，不通，说明计算机使用的协议栈有问题，需要重装系统或协议栈」。2）、「Ping 网关地址（路由地址），内网 ping 192.168.0.1/ 192.168.1.1，通，说明本机到路由器的地址是通的。不通，则说明 WIFI、网线是有问题的」。3）、「Ping 远端地址 ping www.wanandroid.com，不通，则说明家中到 ISP 的网络之间是有故障的。这个时候就要从电信、联通、移动等 ISP 来排查问题了」。此外，除了 ping 之外，我们还可以通过 tcpdump -i eth0 icmp，「查看发出的包有没有到达某个点，以及回复的包到达了哪个点，以便更容易推断出错的位置」。
❝ping 不同一定就代表网络不通吗？
❞不是，如果不在我们的控制范围内，很多中间设备都是禁止 ping 的，但是 ping 不通不代表网络不通。这个时候就要使用 Telnet，通过其他协议来测试网络是否畅通。
「用于探测 IP 数据报在网络中走过的路径」。
在 IP 数据报的首部中，有一个8位的生存时间 TTL，它表示了 IP 数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL 减1，「当 TTL = 0时，网络设备必须丢弃该报文，并会发送 ICMP 终点不可达差错报文」。
而 Traceoute 则巧妙地应用了 ICMP 终点不可达差错报文与 TTL 机制，为了探测 IP 数据报文走过的路径，它会发送一个 UDP 数据包。将 TTL 设置为1，一旦遇到一个路由器，它就会牺牲了。接着返回一个 ICMP 包，就是网络差错包，类型是时间超时，这样就能知道一个路由器有多远。具体机制如下所示：
1）、「首先，会封装一个 TTL 为1的数据报文，当到达第一个网络之后，TTL 会减为0，第一个网络会发现 TTL 减为0了，此时就会往源主机发送 ICMP 终点不可达的差错报文。这个时候源主机就会把第一个网络的 IP 地址记录下来」。2）、「然后，会封装一个 TTL 为2的数据报文，当到达第二个网络之后，TTL 会减为0，第二个网络会发现 TTL 减为0了，此时就会往源主机发送 ICMP 终点不可达的差错报文。这个时候源主机就会把第二个网络的 IP 地址记录下来」。3）、「后面按 TTL + 1，到达的网络次序 + 1的规律进行，直到到达目的主机，最后得到目的主机的 IP 地址」。这样，源主机就接收到了所有的路径信息，就可以输出该数据报在网络中的路径了。traceroute 命令的使用示例如下所示：
tracert github.com (Windows 为 tracert github.com) quchao@quchaodeMacBook-Pro cmmp-core-client-android % traceroute github.com traceroute to github.com (13.250.177.223), 64 hops max, 52 byte packets 1 22.4.93.254 (22.4.93.254) 11.676 ms 7.331 ms 9.620 ms 2 59.40.180.129 (59.40.180.129) 977.679 ms 440.943 ms 10.672 ms 3 49.186.37.59.broad.dg.gd.dynamic.163data.com.cn (59.37.186.49) 9.207 ms 12.436 ms 10.636 ms 4 125.176.37.59.broad.dg.gd.dynamic.163data.com.cn (59.37.176.125) 13.202 ms 10.292 ms 28.478 ms 5 183.56.65.6 (183.56.65.6) 11.763 ms 9.236 ms 183.56.65.18 (183.56.65.18) 11.392 ms 6 202.97.94.134 (202.97.94.134) 18.357 ms 202.97.94.150 (202.97.94.150) 18.175 ms 202.97.94.134 (202.97.94.134) 36.600 ms 7 202.97.94.98 (202.97.94.98) 245.161 ms 202.97.12.29 (202.97.12.29) 19.504 ms 202.97.12.41 (202.97.12.41) 22.256 ms 复制代码 ❝为什么查找一个 IP 地址时可能会看不到中间有些路由器的信息？
❞因为有的路由器根本不会返回这个 ICMP 包。
路由表包括了 「目的 IP 地址与下一跳 IP 地址的映射关系」。
「从网络的分级层级来看，每一个主干 ISP 都可以认为是一个主干 AS，每一个地区 ISP 都可以认为是一个地区 AS，而每一个公司、校园、家庭都可以认为是一个小的 AS」。
例如家庭 AS1 与公司 AS2 它们直接使用的网关协议示意图如下所示：
我们可以把网络拓扑图转换为图，其中
「每一个顶点表示一个网络、路由器或计算机」。「每一条边表示一条网络路径」。「路由算法的本质即图论的算法，但由于复杂的网络环境，所以路由算法比图论算法要更加复杂」。
❝如何设计一个好的路由算法？
❞ 1）、正确、完整：算法是正确与完整的。2）、计算简单：算法在计算上应该尽可能地简单。3）、适应变化：算法可以适应网络中的各种变化。4）、稳定、公平：算法是稳定与公布的。「实现简单，开销很小」。
假设有一个 A-B-C 的链路，假如 A 路由节点出现问题无法使用，那么 B、C 就会互相询问，知道它们各自的跳数一直累加到超过 15 跳。
1）、「随便相信相邻节点」。2）、「自己不思考，视野局限，导致故障信息传递慢」。3）、「限制了网络的规模，只能在较小的网络中使用，因为它把跳数大于15的认为不可达」。与 RIP 协议的不同：
1）、「向所有的路由器发送消息」。2）、「消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态」。3）、「只有链路状态发送变化时，才发送更新消息」。因此，可以看到 「LS 协议解决了 RIP 协议 随便相信隔壁路由、视野不够的问题」。
特点：
1）、「Dijistra 算法是著名的图算法，它解决的是计算最短路径的问题」。2）、「解决有权图从一个节点到其它节点的最短路径问题」。3）、「以起始点为中心，向外层层扩展」。过程：
1、「初始化两个集合（S，U）（S 为只有初始顶点点 A 的集合，U 为其它顶点集合）」。2、「如果 U 不为空，对 U 集合顶点进行距离的排序，并取出距离 A 最近的一个顶点 D」： 1）、「将顶点 D 纳入 S 集合」。2）、「更新通过顶点 D 到达 U 集合所有点的距离（如果距离更小则更新，否则不更新）」。3）、「重复2步骤」。3、「直到 U 集合为空，算法完成」。核心是 Dijkstra 算法。
1）、「向所有的路由器发送消息，因此每一个路由器都可以获得网络中的所有信息，并因此得到完整的网络拓扑（链路状态数据库）。而且，每一个路由器都可以使用 Dijikstra 算法找到自己到达某一个顶点的最短路径」。2）、「消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态（即距离、时延、带宽），因此 OSPF 协议比 RIP 协议更加客观与先进」。3）、「只有链路状态发生变化时，才发送更新信息，这使得路由器减少了数据的交换，能够更快地收敛」。然后，我们再来回顾一下 「完整过程」：
首先，「路由器接入网络」。然后，「路由器向邻居发出问候信息，以此来确认可达性」。确认后，「就会与邻居交流链路状态数据库，并将链路状态数据库都同步为最新的」。最后，「路由器会广播和更新未知路由」。虽然 OSPF 协议解决了 RIP 协议的问题，对整个网络有了一定的全局观，但是 「OSPF 协议本身较为复杂，实现开销较大」。
为什么要在 AS 之间使用 BGP 协议呢？
❞ 1）、「互联网的规模很大，这使得在 AS 之间选择路由非常困难，如果我们在 AS 之间选择链路状态协议，每个路由器都需要存储很多链路状态的数据，并且如果使用 Dijikstra 算法，运行会很慢，因此需要使用 BGP 协议」。2）、「AS 内部使用不同的路由协议，例如在一个 AS 中使用了 RIP 协议，而另一个 AS 中则使用了 OSPF 协议。对于使用不同的协议的路由器，在它们之间是无法通信的，因此它们之间便需要借助 BGP 协议来进行协调」。3）、「AS 之间需要考虑除网络特性之外的一些因素，例如 政治、安全」。「由于各个 AS （国家、地区）之间政策、安全等原因，BGP 仅能够找到一个到底目的地的比较好的路由。而 AS 之间是通过 BGP 发言人来进行路由信息的交换的」。
什么是数据帧？
❞ 「帧是数据链路层数据的基本单位」。「发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成帧」。「接收端根据前后特定标记识别出帧」。如果数据里面刚好有这些比特流怎么办？
❞透明传输是什么？
❞ 1）、「计算机领域中非常重要的一个术语。例如对于数据链路层来说，物理层所做的工作就是透明的，物理层只需向外暴露接口即可」。2）、「一种实际存在的事物但是看起来像不存在一样」。3）、「即使控制字符在帧数据中，但是要当做不存在一样去处理」。如果数据里面刚好有这些控制字符该怎么办？
❞在该控制字符前面加上一个 ESC 转义字符，如果数据中也包含有 ESC 转义字符时，则可以在前面再加一个 ESC 转义字符。而数据链路层的转义字符可以类比与编程语言中的转义字符。
为什么要进行差错监测？
❞「因此物理层只管传输比特流，无法控制是否出错。所以数据链路层需要负责 差错监测 的工作」。
「在比特流的后面加上 奇偶校验码（1/0）.例如：00110100 => 所有位数和为3，是基数，在该比特流后面加1。（偶数加0）」
它的局限性在于 「当比特流中出错两位时，无法检测出错误」。
CRC 使用了 「模 2 除法」，即：「当最高位为0时，则认为余数不够除，取商为0」。
「发送端增加校验码：」
1）、「选定一个用于校验的多项式 G(x)（例如：CRC-7、CRC-8 就代表 G(x) 中最高位为8），并在数据尾部添加 r 个0」。2）、「将添加 r 个0后的数据，使用模 2 除法除以多项式的位串」。3）、「将得到的余数填充在原数据 r 个0的位置得到可校验的位串」。「接收端验证校验码：」
「接收数据除以 G(x) 的位串，如果余数为0，则校验成功」。「缺点」
1）、「位串的阶数 r 越大，CRC 的错误检测能力越强。（阶数为1时，退化为奇偶校验码）」2）、「数据链路层只进行数据的检测，不进行纠正，如果检测出错误数据会把该数据丢弃」。为什么要设计出 MTU？
❞数据帧过大或过小都会影响传输的效率。例如会增加数据传输时的总时延。以太网 MTU 一般为 1500 字节。
由传输链路中所有 MTU 中的最小 MTU 决定。
「存有 MAC 地址和硬件接口的映射关系。其中每一个 MAC 地址都有与之对应的硬件接口」。
单位为 「字节」。
❝其中的帧数据具体是什么数据？
❞ 「如果是网络层的 IP 数据，则 类型为 0800，帧数据 = IP 数据报」。「如果是 ARP 请求/应答，则 类型为 0806，帧数据 = ARP 请求/应答（28字节） + PAD（18字节）」。「如果是 RARP 请求/应答，则 类型为 8035，帧数据 = RARP 请求/应答（28字节） + PAD（18字节）」如果 MAC 地址并不知道 B 的硬件接口，路由器如何处理？
❞ 1）、E 检查 MAC 地址表，发现没有 C 的信息。2）、E 将广播 A 的数据包到除 A 以外的端口。3）、E 将收到来自 B、C 的回应，并将地址记录。什么是比特流？
❞「由高低电频表示的数据流，1 => 高电频，0 => 低电频」，例如由比特流 100110101010 转化成的数字信号如下图所示：
从外至内由 「聚氯乙烯套层、绝缘层、铜线」 组成。
不同于 无屏蔽双绞线，其在第二层 「加了屏蔽层」。
从外至内由 「绝缘保护套层、外导体屏蔽层、绝缘层、内导体」 组成。
光纤由 「包层（低折射率的媒体）、纤芯（高折射率的媒体）」 组成。
如何处理发送与接受出现冲突的情况？
❞计算机网络是一个需要我们持续深入探索的一门基础学科，在本篇中我们全面了解了计算机网络的核心基础知识，这为我们之后探讨移动网络优化相关的问题打下了一定的网络基础。网络优化之旅才刚刚开始~
❝关于计算机网络的高频问题可以 查看此处。
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