02-网络 网络层
IP（Internet Protocol，网际协议）
IP 协议的作用是什么？
IP 是 TCP/IP 协议中最重要的协议之一，属于网络层的协议，主要作用是定义数据包的格式、对数据包进行路由和寻址，以便它们可以跨网络传播并到达正确的目的地。
目前 IP 协议主要分为两种，一种是过去的 IPv4，另一种是较新的 IPv6，目前这两种协议都在使用，但后者已经被提议来取代前者。
什么是 IP 地址？IP 寻址如何工作？
每个连入互联网的设备或域（如计算机、服务器、路由器等）都被分配一个 IP 地址（Internet Protocol address），作为唯一标识符。每个 IP 地址都是一个字符序列，如 192.168.1.1（IPv4）、2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（IPv6） 。
当网络设备发送 IP 数据包时，数据包中包含了 源 IP 地址 和 目的 IP 地址 。源 IP 地址用于标识数据包的发送方设备或域，而目的 IP 地址则用于标识数据包的接收方设备或域。这类似于一封邮件中同时包含了目的地地址和回邮地址。
网络设备根据目的 IP 地址来判断数据包的目的地，并将数据包转发到正确的目的地网络或子网络，从而实现了设备间的通信。
这种基于 IP 地址的寻址方式是互联网通信的基础，它允许数据包在不同的网络之间传递，从而实现了全球范围内的网络互联互通。IP 地址的唯一性和全局性保证了网络中的每个设备都可以通过其独特的 IP 地址进行标识和寻址。
什么是 IP 地址过滤？
IP 地址过滤（IP Address Filtering） 简单来说就是限制或阻止特定 IP 地址或 IP 地址范围的访问。例如，你有一个图片服务突然被某一个 IP 地址攻击，那我们就可以禁止这个 IP 地址访问图片服务。
IP 地址过滤是一种简单的网络安全措施，实际应用中一般会结合其他网络安全措施，如认证、授权、加密等一起使用。单独使用 IP 地址过滤并不能完全保证网络的安全。
IPv4 和 IPv6 有什么区别？
IPv4（Internet Protocol version 4） 是目前广泛使用的 IP 地址版本，其格式是四组由点分隔的数字，例如：123.89.46.72。IPv4 使用 32 位地址作为其 Internet 地址，这意味着共有约 42 亿（2^32）个可用 IP 地址。
这么少当然不够用啦！为了解决 IP 地址耗尽的问题，最根本的办法是采用具有更大地址空间的新版本 IP 协议 - IPv6（Internet Protocol version 6）。IPv6 地址使用更复杂的格式，该格式使用由单或双冒号分隔的一组数字和字母，例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6 使用 128 位互联网地址，这意味着约有 2^128（3 开头的 39 位数字，恐怖如斯）个可用 IP 地址。
除了更大的地址空间之外，IPv6 的优势还包括：
- 无状态地址自动配置（Stateless Address Autoconfiguration，简称 SLAAC）：主机可以直接通过根据接口标识和网络前缀生成全局唯一的 IPv6 地址，而无需依赖 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）服务器，简化了网络配置和管理。
- NAT（Network Address Translation，网络地址转换）成为可选项：IPv6 地址资源充足，可以给全球每个设备一个独立的地址。
- 对标头结构进行了改进：IPv6 标头结构相较于 IPv4 更加简化和高效，减少了处理开销，提高了网络性能。
- 可选的扩展头：允许在 IPv6 标头中添加不同的扩展头（Extension Headers），用于实现不同类型的功能和选项。
- ICMPv6（Internet Control Message Protocol for IPv6）：IPv6 中的 ICMPv6 相较于 IPv4 中的 ICMP 有了一些改进，如邻居发现、路径 MTU 发现等功能的改进，从而提升了网络的可靠性和性能。
- ……
如何获取客户端真实 IP？
获取客户端真实 IP 的方法有多种，主要分为应用层方法、传输层方法和网络层方法。
应用层方法 ：
通过 X-Forwarded-For 请求头获取，简单方便。不过，这种方法无法保证获取到的是真实 IP，这是因为 X-Forwarded-For 字段可能会被伪造。如果经过多个代理服务器，X-Forwarded-For 字段可能会有多个值（附带了整个请求链中的所有代理服务器 IP 地址）。并且，这种方法只适用于 HTTP 和 SMTP 协议。
传输层方法：
利用 TCP Options 字段承载真实源 IP 信息。这种方法适用于任何基于 TCP 的协议，不受应用层的限制。不过，这并非是 TCP 标准所支持的，所以需要通信双方都进行改造。也就是：对于发送方来说，需要有能力把真实源 IP 插入到 TCP Options 里面。对于接收方来说，需要有能力把 TCP Options 里面的 IP 地址读取出来。
也可以通过 Proxy Protocol 协议来传递客户端 IP 和 Port 信息。这种方法可以利用 Nginx 或者其他支持该协议的反向代理服务器来获取真实 IP 或者在业务服务器解析真实 IP。
网络层方法：
隧道 + DSR 模式。这种方法可以适用于任何协议，就是实施起来会比较麻烦，也存在一定限制，实际应用中一般不会使用这种方法。
ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)
什么是 Mac 地址？
MAC 地址的全称是 媒体访问控制地址（Media Access Control Address）。如果说，互联网中每一个资源都由 IP 地址唯一标识（IP 协议内容），那么一切网络设备都由 MAC 地址唯一标识。
可以理解为，MAC 地址是一个网络设备真正的身份证号，IP 地址只是一种不重复的定位方式（比如说住在某省某市某街道的张三，这种逻辑定位是 IP 地址，他的身份证号才是他的 MAC 地址），也可以理解为 MAC 地址是身份证号，IP 地址是邮政地址。MAC 地址也有一些别称，如 LAN 地址、物理地址、以太网地址等。
还有一点要知道的是，不仅仅是网络资源才有 IP 地址，网络设备也有 IP 地址，比如路由器。但从结构上说，路由器等网络设备的作用是组成一个网络，而且通常是内网，所以它们使用的 IP 地址通常是内网 IP，内网的设备在与内网以外的设备进行通信时，需要用到 NAT 协议。
MAC 地址的长度为 6 字节（48 比特），地址空间大小有 280 万亿之多（$2^{48}$），MAC 地址由 IEEE 统一管理与分配，理论上，一个网络设备中的网卡上的 MAC 地址是永久的。不同的网卡生产商从 IEEE 那里购买自己的 MAC 地址空间（MAC 的前 24 比特），也就是前 24 比特由 IEEE 统一管理，保证不会重复。而后 24 比特，由各家生产商自己管理，同样保证生产的两块网卡的 MAC 地址不会重复。
MAC 地址具有可携带性、永久性，身份证号永久地标识一个人的身份，不论他到哪里都不会改变。而 IP 地址不具有这些性质，当一台设备更换了网络，它的 IP 地址也就可能发生改变，也就是它在互联网中的定位发生了变化。
最后，记住，MAC 地址有一个特殊地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF（全 1 地址），该地址表示广播地址。
ARP 协议解决了什么问题？
ARP 协议，全称 地址解析协议（Address Resolution Protocol），它解决的是网络层地址和链路层地址之间的转换问题。因为一个 IP 数据报在物理上传输的过程中，总是需要知道下一跳（物理上的下一个目的地）该去往何处，但 IP 地址属于逻辑地址，而 MAC 地址才是物理地址，ARP 协议解决了 IP 地址转 MAC 地址的一些问题。
在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的 MAC 地址的。在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的 MAC 地址。
ARP 协议完成了 IP 地址与物理地址的映射。每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。
当源主机要发送数据包到目的主机时，会先检查自己的 ARP 高速缓存中有没有目的主机的 MAC 地址，如果有，就直接将数据包发到这个 MAC 地址，如果没有，就向所在的局域网发起一个 ARP 请求的广播包（在发送自己的 ARP 请求时，同时会带上自己的 IP 地址到硬件地址的映射），收到请求的主机检查自己的 IP 地址和目的主机的IP地址是否一致，如果一致，则先保存源主机的映射到自己的 ARP 缓存，然后给源主机发送一个 ARP 响应数据包。
源主机收到响应数据包之后，先添加目的主机的 IP 地址与 MAC 地址的映射，再进行数据传送。如果源主机一直没有收到响应，表示 ARP 查询失败。
如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
NAT (Network Address Translation, 网络地址转换)
用于解决内网中的主机要和因特网上的主机通信。由 NAT 路由器将主机的本地 IP 地址转换为全球 IP 地址，分为静态 NAT 转换（转换得到的全球 IP 地址固定不变）和动态 NAT 转换。
NAT 不光可以缓解 IPv4 地址资源短缺的问题，还可以隐藏内部网络的实际拓扑结构，使得外部网络无法直接访问内部网络中的设备，从而提高了内部网络的安全性。
ICMP（Internet Control Message Protocol，网络控制报文协议）
ICMP 协议是一个网络层协议。
一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通；但是 IP 协议并不提供可靠传输。如果丢包了，IP 协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。所以我们就需要一种协议来完成这样的功能，这就是 ICMP 协议。
ICMP 用来检测 IP 报文是否能够正常发送，以及出错原因，以及查询主机的信息。也就是差错查询和信息查询。
ICMP 协议的功能主要有：
- 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。
我们经常使用的 ping 工具就是利用 ICMP 实现的。
PING
PING 命令的作用是什么？
PING 命令是一种常用的网络诊断工具，经常用来测试网络中主机之间的连通性和网络延迟。
这里简单举一个例子，我们来 PING 一下百度。
1 | |
PING 命令的输出结果通常包括以下几部分信息：
- ICMP Echo Request（请求报文）信息：序列号、TTL（Time to Live）值。
- 目标主机的域名或 IP 地址：输出结果的第一行。
- 往返时间（RTT，Round-Trip Time）：从发送 ICMP Echo Request（请求报文）到接收到 ICMP Echo Reply（响应报文）的总时间，用来衡量网络连接的延迟。
- 统计结果（Statistics）：包括发送的 ICMP 请求数据包数量、接收到的 ICMP 响应数据包数量、丢包率、往返时间（RTT）的最小、平均、最大和标准偏差值。
如果 PING 对应的目标主机无法得到正确的响应，则表明这两个主机之间的连通性存在问题（有些主机或网络管理员可能禁用了对 ICMP 请求的回复，这样也会导致无法得到正确的响应）。如果往返时间（RTT）过高，则表明网络延迟过高。
PING 命令的工作原理是什么？
PING 基于网络层的 ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议），其主要原理就是通过在网络上发送和接收 ICMP 报文实现的。
ICMP 报文中包含了类型字段，用于标识 ICMP 报文类型。ICMP 报文的类型有很多种，但大致可以分为两类：
- 查询报文类型：向目标主机发送请求并期望得到响应。
- 差错报文类型：向源主机发送错误信息，用于报告网络中的错误情况。
PING 用到的 ICMP Echo Request（类型为 8） 和 ICMP Echo Reply（类型为 0） 属于查询报文类型 。
- PING 命令会向目标主机发送 ICMP Echo Request。
- 如果两个主机的连通性正常，目标主机会返回一个对应的 ICMP Echo Reply。