ARP
ARPARP 的功能是：已知同一链路上的某个 IP 地址，查询它对应的 MAC 地址。ARP 不能跨路由器解析远端主机的 MAC 地址。 ↻ + − 主机发送 IP 数据报前，实际要封装成链路层帧。若目的主机在本网络，就解析目的主机 MAC；若目的主机不在本网络，就解析默认网关或下一跳路由器接口的 MAC。 ARP 高速缓存保存 IP 到 MAC 的映射。动态项由 ARP 自动学习，通常有生命周期；静态项由人工配置，生命周期取决于系统实现。 跨多个网络转发时，每一段链路都可能各自使用一次 ARP。例如 H1 到 H2 经过 R1、R2，则可能在 H1-R1、R1-R2、R2-H2 三段链路分别解析下一跳 MAC。 RARP 的方向与 ARP 相反：已知自己的 MAC 地址，查询自己的 IP 地址。它主要用于早期无盘主机启动场景，现代网络中基本由 DHCP 取代。
DHCP
DHCPDHCP 用于让主机自动获取网络配置参数，使主机接入网络后可以自动得到 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器、地址租期等信息。 DHCP 使用客户/服务器方式。DHCP 服务器运行服务器进程，维护地址池和配置信息；主机运行 DHCP 客户进程，向服务器申请租约。 报文封装DHCP 属于应用层协议，使用 UDP： 角色 UDP 端口 DHCP 服务器 67 DHCP 客户 68 DHCP 报文在运输层封装成 UDP 用户数据报，在网络层封装成 IP 数据报，再按具体链路封装成帧发送。主机刚启动时还没有 IP 地址，因此初始 DHCP 报文经常使用特殊地址： 阶段 源 IP 目的 IP 原因 Discover 0.0.0.0 255.255.255.255 客户还没有地址，也不知道服务器是谁 初次 Request 0.0.0.0 255.255.255.255 客户还未正式获得租约，需要广播说明选择 基本过程 ↻ + − DHCP 第一次获取地址时，核心过程是...
ICMP
ICMPICMP 用来传递网络层控制信息。它封装在 IP 数据报中，但不是运输层协议；它服务于 IP，帮助主机和路由器报告差错、进行连通性测试和路径探测。 ICMP 不能让 IP 变成可靠协议。IP 数据报仍然可能丢失、重复、失序；ICMP 只是让某些异常能被报告回来。 ICMP 报文大体分为两类： 类型 作用 差错报告报文 当路由器或主机处理 IP 数据报出现某类异常时，向源主机报告 询问报文 主机或路由器主动发出请求，用于测试可达性、测量时间等 差错报告报文ICMP 差错报告报文把网络层遇到的问题反馈给源主机。常见类型如下： 差错类型 典型触发场景 终点不可达 路由器找不到到目的网络的路由，或目的主机/端口不可达 源点抑制 路由器或主机因拥塞丢弃数据报，通知源主机降低发送速率 时间超过 TTL 减为 0，或目的主机在规定时间内没有收到全部分片 参数问题 IP...
IP Forwarding
IP 转发IP 转发解决的是一个很具体的问题：设备拿到一个 IP 数据报后，下一跳应该发到哪里。主机发送前要判断目的主机是否在本网络；路由器收到数据报后要查路由表，决定输出接口和下一跳。 直接交付与间接交付 若目的 IP 与源主机在同一网络，主机直接把数据报封装成链路层帧发给目的主机，这叫直接交付。判断方法是：源主机用自己的子网掩码分别与源 IP、目的 IP 相与，若得到相同网络地址，就认为目的主机在本网络。 若目的 IP 不在本网络，主机不能直接把帧发给目的主机，而是先发给默认网关或下一跳路由器，这叫间接交付。后续由路由器继续逐跳转发。 广播不被路由器转发 广播 IP 数据报只在本网络内有效，路由器不会把它转发到其他网络。 主机侧判断的是“目的主机是否在本网络”。若不在本网络，主机只需要把数据报交给默认网关，不需要知道完整路径。 路由器侧判断的是“目的网络应从哪个接口转发”。路由器收到一个首部正确、TTL 还未耗尽的 IP 数据报后，才查路由表并选择下一跳。 路由表项路由器根据路由表转发 IP...
IPv4 Datagram
IPv4 数据报IPv4 数据报由首部和数据载荷组成。首部用于让路由器逐跳转发，数据载荷通常是上层协议交给 IP 的内容，例如 TCP 报文段、UDP 用户数据报或 ICMP 报文。 IPv4 首部最小 20 B，最大 60 B。首部长度可变的原因是可选字段可能存在；填充字段只用于把首部补齐到 4 B 的整数倍。 字段 长度 作用 版本 4 bit IPv4 中取值为 4 首部长度 4 bit 以 4 B 为单位表示首部长度 区分服务 8 bit 用于区分服务质量，一般场景不使用 总长度 16 bit 以 1 B 为单位表示整个 IPv4 数据报长度 标识 16 bit 同一个原始数据报的所有分片具有相同标识 标志 3 bit 包含 DF 和 MF 等分片控制位 片偏移 13 bit 表示本片数据在原始载荷中的位置，以 8 B 为单位 TTL 8 bit 生存时间，防止分组在路由环路中无限转发 协议 8 bit 指明载荷应交给哪个上层协议 首部检验和 16 bit 只检验 IPv4 首部 源地址 32 bit 发送方...
Private Networks
私有网络私有网络使用专用 IPv4 地址。专用地址可以在不同机构内部重复使用，但它们只在机构内部有效，不能作为公网路由的目的地址。 常见专用地址块是： 专用地址块 范围 10.0.0.0/8 10.0.0.0 - 10.255.255.255 172.16.0.0/12 172.16.0.0 - 172.31.255.255 192.168.0.0/16 192.168.0.0 - 192.168.255.255 公网路由器不会为这些专用地址建立全局路由。内部主机要访问公网，通常需要 NAT 或代理；多个私有网络要跨公网互联，常用 VPN。 NATNAT 的目的主要是缓解 IPv4 地址不足，并隐藏内部地址结构。NAT 路由器位于私有网络和公网之间，至少拥有一个全球唯一的公网 IPv4 地址。 ↻ + − 基本 NAT 改写 IP 地址，并维护转换表。内网主机访问公网时，NAT 路由器把源私有地址改写成公网地址；公网响应回来时，再根据转换表把目的公网地址还原成内部私有地址。 这个改写后的公网地址来自 NAT...
IPv4 Addressing
IPv4 地址的基本含义IPv4 地址是 32 bit 的网络层标识符，通常写成点分十进制形式，例如 192.168.1.130。每 8 bit 写成一个十进制数，四个十进制数之间用点分隔。 IPv4 地址不是分配给“机器整体”的，而是分配给接口的。普通主机通常只有一个联网接口，因此看起来像是一台主机一个 IP 地址；路由器至少有两个接口，因此一个路由器通常有多个 IP 地址。 地址属于接口 路由器有多个接口，每个接口连接不同网络，因此每个接口需要自己的 IP 地址。说“一台路由器的 IP 地址”通常是不严谨的，应该说明是哪一个接口的 IP 地址。 IPv4 地址在逻辑上分为两部分： 网络前缀：标识接口所在的网络。 主机号：标识该网络中的具体接口。 同一网络中的接口应具有相同网络前缀，不同接口的主机号不能相同。路由器转发分组时，主要根据目的 IP 地址中的网络前缀查找下一跳，而不是为每台主机维护一条路由。 分类编址早期 IPv4 使用分类编址，把地址分为 A、B、C、D、E 五类。其中 A、B、C 类可分配给主机或路由器接口；D 类用于多播；E 类保留。 判断...
Network Layer Services
网络层数据链路层只负责一段链路或一个局域网内部的传输。网络层要解决的是更大的问题：把分组从源主机送到目的主机，途中可能经过多个网络、多个路由器和多段链路。 异构网络指底层实现不同的网络。它们可能使用不同的链路层协议、帧格式、链路层地址、最大帧长、差错处理方式和接入机制。网络层用统一的 IP 地址和统一的转发规则，把这些差异屏蔽起来，对上提供一个可互联的 IP 网。 网络层的核心抽象 从 IP 层看，主机只需要知道目的 IP 地址，路由器只需要根据网络层首部进行转发。具体每一段链路怎样成帧、怎样使用 MAC...
WAN
广域网与点对点链路广域网 WAN（Wide Area Network）覆盖范围大，常用于连接相距较远的局域网、园区网、数据中心或运营商网络。它的重点不是“很多主机直接共享一个局域网介质”，而是通过通信子网把远距离节点连接起来。 局域网与广域网的差异可以先这样把握： 对比项 局域网 LAN 广域网 WAN 覆盖范围 房间、楼宇、园区 城市、地区、国家甚至全球 常见管理者 单位、学校、企业内部 运营商、专线服务商、大型机构 典型链路形态 广播链路或交换式局域网 点对点链路、交换网络、运营商承载网络 数据链路层重点 MAC、局域网帧、交换机、VLAN 点对点封装、链路建立、链路配置 典型协议 Ethernet、802.11 PPP、HDLC 等 PPP 主要解决的是：一段点对点链路如何建立、如何配置、如何封装网络层分组、如何成帧和检错。 点对点链路与广播链路的区别如下： 链路类型 链路上有几个发送竞争者 是否需要 MAC 争用机制 例子 点对点链路 2 个端点 通常不需要 用户主机到...
WLAN
802.11 无线局域网802.11 是无线局域网 WLAN 的主要标准族。它仍然属于 IEEE 802 局域网体系，数据链路层仍分为 LLC 子层和 MAC 子层；但因为传输介质变成无线信道，介质访问控制、可靠传输和帧地址字段都比有线以太网复杂。 802.11 与共享式以太网的核心差异是： 对比项 共享式以太网 802.11 WLAN 传输介质 有线共享介质 无线信道 冲突处理 CSMA/CD，发送中检测碰撞 CSMA/CA，发送前尽量避免碰撞 可靠性 数据链路层通常不确认、不重传 数据链路层使用 ACK 中心设备 集线器只是物理层转发 AP 参与关联、转发和接入 DS 共享式以太网的 CSMA/CD 见 共享式以太网。这里重点看无线环境为什么需要另一套机制。 BSS、AP、BSSID、ESS、DS BSS基本服务集 BSS（Basic Service Set）是 802.11 WLAN 的最小构件。 在有固定基础设施的 WLAN 中，一个 BSS 通常包含： 一个 AP。 若干移动站...