# TCP协议特点

## 1、面向连接

传输控制协议Transmission Control Protocol 要对数据的传输进行一个详细的控制，TCP是面向连接(虚连接)的传输层协议，但注意此处的连接是虚连接：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/l7oGtXYuJdbY.png)





## 2、每个TCP连接只能是点对点

TCP连接是点对点的连接，而不是向广播那样的形式

## 3、可靠有序，不丢不重

TCP提供可靠交付的服务，无差错、不丢失、不重复、按序到达。可靠有序，不丢不重，后面会写到这些功能是如何实现的

## 4、TCP提供全双工通信

发送缓存：准备发送的数据 + 已发送但尚未收到确认的数据
接收缓存：按序到达但尚未被接受应用程序读取的数据 + 不按序到达的数据

## 5、面向字节流

TCP面向字节流，TCP把应用程序交下来的数据看成仅仅是一连串的无结构的字节流。



# TCP报文格式

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/vxkBwpejRsai.png)


## 1、填充字段

首先看看填充字段，这个字段主要是为了保证添加选项字段后TCP首部是还是4字节的整数倍（通常填充的是全零字段）。

固定首部就是20字节（图中一行就是32位，8位是一个字节，所以图中的一行就是4字节，五行就是20字节）

## 2、源端口和目的端口

源端口和目的端口分别占用4字节，总占用8字节

## 3、序号

序号：在一个TCP连接中传送的字节流中的每一个字节都按顺序编号，本字段表示本报文段所发送数据的第一个字节的序号。如下图，如果发的是123号字节的数据，那么TCP报文中的头部序号就是1，如果发送的是456号字节的数据，那么TCP报文中的头部序号就是4：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/AYighlCt0SzU.png)


## 4、确认号

确认号：期望收到对方下一一个报文段的第一个数据字节的序号。若确认号为N，则证明到序号N-1为止的所有数据都已正确收到。如下图：接收端收到数据后要反馈给发送端，还是向发送端发一个确认报文，填写自己的确认号，发送端就知道了接收端收到了那些数据，没收到的超时要重发：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/G9zVHcPk1VDr.png)



## 5、数据偏移

数据偏移(首部长度) ： TCP报文段的数据起始处距离TCP报文段的起始处有多远，以4字节为单位，即1个数值是4字节，首部长度包含固定的20字节，还有选项字段和填充字段，所以需要知道首部的长度，就需要这个字段来说明首部长度。 由于数据偏移字段只有4位的存储空间，最大为 1111 ，就是最大值为15，15 * 4 = 60字节，所以TCP协议首部最长为60字节（20字节固定大小 + 40字节的选项和填充字段）。

## 6、6个控制位

### URG - 紧急位

紧急位URG，URG=1时， 标明此报文段中有紧急数据，是高优先级的数据，应尽快传送，不用在缓存里排队，配合紧急指针字段使用

### ACK - 确认位

确认位ACK，ACK=1时确认号有效，在连接建立后所有传送的报文段都必须把ACK置为1

### PSH - 推送位

推送位PSH，PSH=1时， 接收方尽快交付接收应用进程，不再等到缓存填满再向上交付

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/bicpSyPNCKy8.png)

### RST - 复位

复位RST，RST=1时， 表明TCP连接中出现严重差错，必须释放连接，然后再重新建立传输链接。

### SYN - 同部位

同步位SYN，SYN=1时，表明是一个连接请求/连接接受报文，建立连接的时候表示此报文段为请求/连接接受报文

### FIN - 终止位

终止位FIN，FIN=1时， 表明此报文段发送方数据已发完，要求释放放连接

不过在书中也有这样描述的：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/KV2t6YEFCVaH.png)


这个会在后面的拥塞控制中讲到！

## 7、窗口

窗口指的是发送本报文段的一方的接收窗口，即现在允许对方发送的数据量，反映了自己可以缓存的字节流，那么对方就知道了你的接收能力怎么样，以此决定向你发送报文的数据量应该控制在多大的范围。举个简单的例子，如果接收方发来的报文确认号是701， 窗口是1000，那么发送方接下来要发的报文就是701~1700的数据。

## 8、校验和

检验首部+数据，检验时要加上12字节的伪首部（IP首部）第四个字段为6（UDP中是17）

## 9、紧急指针

当URG=1时，这个字段才有用，指出本报文段中紧急数据的字节数，假设紧急指针为50，那么数据部分的1-50的数据才是紧急数据，剩下的是普通数据

## 10、选项

选项，例如最大报文段长度MSS、窗口扩大、时间戳、选择确认...



# TCP的连接管理

建立连接 ----＞数据传送----＞释放连接

TCP连接的建立采用客户服务器方式，主动发起连接建立的应用进程叫做客户，而被动等待连接建立的应用进程叫服务器。

## 1、建立连接过程

step1、客户端发送连接请求报文段，无应用层数据， SYN = 1，seq = x(随机值，由客户端主机产生)，SYN为1很好理解，前面说到了SYN=1表明是一个连接请求/连接接受报文，建立连接的时候表示此报文段为请求/连接接受报文

step2、服务器端为该TCP连接分配缓存和变量，并向客户端返回确认报文段，允许连接，无应用层数据，SYN = 1，ACK = 1，seq=y(随机值)，ack=x+1。怎么理解呢？客户端首次发报文，这个报文是建立连接用的，所以客户端随机产生了一个序号seq=y，但是这个序号对于服务器是有用的，因为服务器通过客户端发来的seq就知道需要接收的下一个报文段的序号了，那就是seq的值再加一；

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/sUAAnuTapm7S.png)




step3、客户端为该TCP连接分配缓存和变量，并向服务器端返回确认的确认，并且可以携带数据

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/fodoGNAiudca.png)


总结一下就是：

**第一次发数据包 (客户端->服务器)：客户端知道自己的发送能力正常；服务器知道自己的接收能力正常，也知道客户端的发送能力正常**

**第二次发数据包 (服务器->客户端)：客户端知道服务器的接收、发送能力正常，客户端知道自己的接收能力正常；服务器知道自己的发送能力正常**

**那么现在的问题就是：**

**客户端知道服务器的发送、接收能力都正常，同时也知道自己的发送、接收都正常，那么是不是可以通信了呢？？？？ 不可以，因为服务器目前只知道：自己的发送、接收能力正常，客户端的发送能力正常**

**唯一不能确定的是客户端的接收能力是否正常，所以通过第三次握手，确定了客户端的接收能力也是正常的！**



补上一张加上状态的图

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/eiPTrLTjntCv.png)


## 2、连接的释放过程

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/8LcDIo1Qlu4q.png)


可以看出这是一个四次握手的过程

参与一条TCP连接的两个进程中的任何一个都能终止该连接，连接结束后，主机中的 资源 (缓存和变量) 将被释放。

step1、客户端发送连接释放报文段，停止发送数据，主动关闭TCP连接。

FIN=1，seq=u （u就等于前面已经传送过来的数据的最后一个字节的序号加1） 

step2、服务器端回送一个确认报文段，客户到服务器这个方向的连接就释放了，处于半关闭状态（close_wait），这个半关闭状态就是客户端停止发送数据，服务器端还可以发送数据。 TCP服务器通知高层的应用进程，客户端向服务器的方向就释放了，这时候处于半关闭状态，即客户端已经没有数据要发送了，但是服务器若发送数据，客户端依然要接受。这个状态还要持续一段时间，也就是整个CLOSE-WAIT状态持续的时间。 

ACK=1，seq=v，ack=u+1

step3、服务器端发完数据，就发出来连接释放报文段，主动关闭TCP连接

FIN=1，ACK=1，seq=w，ack=u+1

step4、客户端回送确认报文段，再等待时间计时器设置的2MSL（最长报文段寿命）后，连接彻底关闭

ACK=1，seq=u+1，ack=w+1

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/fC6LyiuWsotS.png)
![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/MscWXH1jLF4c.png)


# TCP的其他问题

## 1、TCP泛洪攻击

SYN洪泛攻击，这种方式利用TCP协议的特性，就是三次握手。攻击者发送TCP SYN, SYN是TCP三次握手中的第-一个数据包，而当服务器返回ACK后，该攻击者就不对其进行再确认，那这个TCP连接就处于挂起状态，也就是所谓的半连接状态，服务器收不到再确认的话，还会重复发送ACK给攻击者。这样更加会浪费服务器的资源。攻击者就对服务器发送非常大量的这种TCP连接，由于每一个 都没法完成三次握手，所以在服务器上，这些TCP连接会因为挂起状态而消耗CPU和内存，最后服务器可能死机，就无法为正常用户提供服务了。

如何解决TCP泛洪攻击？

① 无效连接的监视释放

 监视系统的半开连接和不活动连接，当达到一定阈值时拆除这些连接，从而释放系统资源 

② SYN Cookie

它使用一种特殊的算法生成seq，这种算法考虑到了对方的IP、端口、己方IP、端口的固定信息，以及对方无法知道而己方比较固定的一些信息，如MSS(Maximum Segment Size，最大报文段大小，指的是TCP报文的最大数据报长度，其中不包括TCP首部长度)、时间等，在收到对方的ACK报文后，重新计算一遍，看其是否与对方回应报文中的（seq-1）相同，从而决定是否分配TCB资源

③ SYN Cache

系统在收到一个SYN报文时，在一个专用HASH表中保存这种半连接信息，直到收到正确的回应ACK报文再分配TCB。这个开销远小于TCB的开销。当然还需要保存序列号。

④ SYN Proxy防火墙

 一种方式是防止墙dqywb连接的有效性后，防火墙才会向内部服务器发起SYN请求。防火墙代服务器发出的SYN ACK包使用的序列号为c, 而真正的服务器回应的序列号为c', 这样，在每个数据报文经过防火墙的时候进行序列号的修改。另一种方式是防火墙确定了连接的安全后，会发出一个safe reset命令，client会进行重新连接，这时出现的syn报文会直接放行。这样不需要修改序列号了。但是，client需要发起两次握手过程，因此建立连接的时间将会延长。

TCP协议基本特性

# 1、ICMP协议概述

ICMP主要是用于确认IP包是否成功发送至目标地址，通知在发送过程中，IP包被废弃的具体原因，改善网络设置等。有了这些功能就方便对网络进行诊断。

ICMP也是基于IP协议工作的，但是它并不是传输层的功能，因此人们仍然把它归结为网络层协议；



很好理解，如果主机A向B发送了报文，中途的路由器2却未发现主机B的存在，这个时候，路由器2便向A主机发送一个ICMP包，说明未能发往B主机：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/97451TpO6Vqo.png)


ICMP大概分为两类报文：一类是通知出错原因、一类是用于诊断查询

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/rdJcmAhDDRgr.png)


# 2、主要的ICMP消息

1、不可达消息

IP路由器无法将IP数据包发送给目标地址时，会给发送端主机返回一个目标不可达( Destination Unreachable Message)的ICMP消息，并在这个消息中显示不可达的具体原因：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/bz01mWAPfQ6C.png)


2、ICMP重定向消息
如果路由器发现发送端主机使用了次优的路径发送数据，那么它会返回一个ICMP重定向(ICMP Redirect Message)的消息给这个主机。在这个消息中包含了最合适的路由信息和源数据。这主要发生在路由器持有更好的路由信息的情况下。路由器会通过这样的ICMP消息给发送端主机一个更合适的发送路由，但是这样做很容易成为引发问题的原因，一般不这么干。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/X48dGb9hLOWj.png)




3、超时消息

IP包中有一个字段叫做TTL (Time To Live，生存周期)，它的值随着每经过一次路由器就会减1，直到减到0时该IP包会被丢弃。此时IP 路由器将会发送一个ICMP超时的消息(ICMP Time Exceeded Message，错误号0 )给发送端主
机，并通知该包已被丟弃。设置IP包生存周期的主要目的，是为了在路由控制遇到问题发生循环状况时，避免IP包无休止地在网络上被转发。此外，有时可以用TTL控制包的到达范围，例如设置一个较小的TTL值，如下图所示：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/vPYbKfnfvWTQ.png)


4、回送消息

ping命令同样也是回送消息的体现

有一款充分利用ICMP超时消息的应用叫做traceroute。它可以显示出由执行程序的主机到达特定主机之前历经多少路由器。它的原理就是利用IP包的生存期限从1开始按照顺序递增的同时发送UDP包，强制接收ICMP超时消息的一种方法。这样可以将所有路由器的IP地址逐一呈现。这个程序在网络上发生问题时，是问题诊断常用的一个强大工具。具体用法是在UNIX命令行里输入“traceroute目标主机地址”即可。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/aH1seFDpmE1p.png)

辅助IP的ICMP

# 1、什么是DNS技术

DNS(Domain Name System) DNS是一整套从域名映射到IP的系统

TCP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序。但是IP地址不方便记忆。于是人们发明了一种叫主机名的东西，是一个字符串，并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系。

最初，通过互连网信息中心(SRI-NIC)来管理这个hosts文件，如果一个新计算机要接入网络，或者某个计算机IP变更，都需要到信息中心申请变更hosts文件，而且其他计算机也需要定期下载更新新版本的hosts文件才能正确上网。这样就太麻烦了，于是产生了DNS系统，一个组织的系统管理机构，维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系，如果新计算机接入网络，将这个信息注册到数据库；用户输入域名的时候，会自动查询DNS服务器，由DNS服务器检索数据库，得到对应的IP地址。

至今，我们的计算机上仍然保留了hosts文件，在域名解析的过程中仍然会优先查找hosts文件的内容。Windows和Linux上的host文件如图：





![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/OFijLumKSv9d.png)


# 2、域名与根服务器

域名的构成

域名是指为了识别主机名称和其他机构组织名称的一种具有分层的名称，比如我的网站的域名是 zouchanglin.cn ，zouchanglin表示我自己，cn则代表中国，在使用域名的时候，可以在每个机构后面追加上机构的域名，比如：我的博客网站域名可以是 blog.zouchanglin.cn，我的视频分享网站可以是 video.zouchanglin.cn ，我的线上小卖部的网站可以是 shop.zouchang.cn ...... ，出现了带层次的域名之后，每个组织或者个人就可以自由的为主机命名了， DNS分成如下图，看起来是个树形结构，如果说顶点是树的根，那么底下就是树的各层枝叶，顶点的下一层叫做第一层域名，包括 cn (中国)、jp(日本)、uk(英国)...还包括edu(教育机构)、com(企业)...

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/uBLuG7KgxbjS.png)


域名服务器管理域名的主机和相应的软件，它可以管理所在分层的域的相关信息，所管理的分层叫做ZONE，每层都设有一个域名服务器。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/xx0zVfaXKVYT.png)


各个域的分层上都设定有各自的域名服务器

各层域名服务器都了解该层以下分层中所有域名服务器的IP地址，因此葱根域名服务器开始呈现树状连接

由于所有域名服务器都知道根服务器的IP地址，所以如果从根开始按照顺序跟踪，可以访问世界所有的域名服务器的地址

一般为了提高容灾能力一般会设置至少两个以上的域名服务器，所有域名服务器都必须注册根域名服务器的IP地址，因为NDS根据IP地址进行检索的时候，需要从根域名服务器开始按顺序进行。



# 4、DNS查询过程

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/Ukbr2jc4WbJX.png)


收到查询请求的服务器首先会在自己的数据控中进行查找，如果有该域名对应的IP地址就返回，如果没有，则域名服务器再想上一层根域名服务器进行查询处理，因此如图所示从根开始对这棵树进行遍历，直到找到指定的域名服务器，并由这个域名服务器返回想要的数据，一般查询到后会保存在缓存了里，减少每次都需要查询时的性能损耗。

# 5、DNS如同互联网的分布式数据库

前面提到DNS是一种通过主机名检索IP地址的系统，然而它所管理的信息不仅仅是这些主机名跟IP地址之间的映射关系，它还要管理众多其他信息，参考下表：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/0tlkoU7ObDVz.png)


主机名与IP地址对应的信息叫做A记录，反之，从IP地址检索主机名叫做PTR，此外，上层和下层域名服务器IP地址的映射叫做NS记录，特别需要指出的是MX记录，这类记录注册了电子邮件地址与邮件接收服务器的主机名

# 6、使用dig分析DNS过程

安装 dig 工具

```bash
yum install bind-utils
```

之后就可以使用 dig 指令查看域名解析过程了

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/8jKUXlNGX6A4.png)


开头位置是 dig 指令的版本号

第二部分是服务器返回的详情，重要的是 status 参数，NOERROR 表示查询成功

QUESTION SECTION 表示要查询的域名是什么

ANSWER SECTION 表示查询结果是什么

最下面是一些结果统计，包含查询时间和 DNS 服务器的地址等



默认情况下 dig 命令查询 A 记录，上图中显示的 A 即说明查询的记录类型为 A 记录。在尝试查询其它类型的记录前让我们先来了解一下常见的 DNS 记录类型。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/auwhORtjSUvo.png)


除了 A 记录，常见的 DNS 记录还有 CNAME，我们可以在查询时指定要查询的 DNS 记录类型

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/mXjWquEWJ5CV.png)


这样结果中就只有 CNAME 的记录。其实我们可以在查询中指定任何DNS记录的类型

从指定的 DNS 服务器上查询，本次查询的 DNS 服务器为 8.8.8.8

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/VNuXh09NEoSB.png)


如果不指定 DNS 服务器，dig 会依次使用 /etc/resolv.conf 里的地址作为 DNS 服务器

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/FAS9SrKwjmfs.png)


dig命令执行查询时都经历了哪些过程? +trace 选项就可以看到。它会输出从根域到最终结果的所有信息

```bash
[root@localhost ~]# dig +trace zouchanglin.cn

; <<>> DiG 9.11.4-P2-RedHat-9.11.4-9.P2.el7 <<>> +trace zouchanglin.cn
;; global options: +cmd
.                       5       IN      NS      c.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      g.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      b.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      e.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      k.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      m.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      f.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      a.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      j.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      i.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      d.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      l.root-servers.net.
.                       5       IN      NS      h.root-servers.net.
;; Received 239 bytes from 192.168.45.2#53(192.168.45.2) in 10 ms

cn.                     172800  IN      NS      a.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      b.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      c.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      d.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      e.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      f.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      g.dns.cn.
cn.                     172800  IN      NS      ns.cernet.net.
cn.                     86400   IN      DS      57724 8 2 5D0423633EB24A499BE78AA22D1C0C9BA36218FF49FD95A4CDF1A4AD 97C67044
cn.                     86400   IN      RRSIG   DS 8 1 86400 20191111170000 20191029160000 22545 . d5pIvGPmRwXNYubnmNxTJ8V8CCz+gXsfhIa6r9CnL7e21vrU4gbf5vyp UcSbSDzzPYB4NkV2RShBLsh4xIV3eonb3HmxS/rIWMKDZavg9vMYAaEp BRB1ZYG4BS35cXeBNaeVs295wFQbRXq4jOT1MIwqeOsgIweG56gpeiKs 4aJdaZ4CSxzfpf0k5R4rntfPO7nJ/Dq/e/onnF7Xk4W3WJr0kTFY5a1G IBnT1VRPckGIphJ5yjNrRiar3qumG1A0y2Q1RZPpMhnbSIunT+Wdj5ZI EatiCeqDopMK3D6m82iBEZycB4yprwI/zVGJxL5xPJMAxFhgf9hI+AyS QnFW1w==
;; Received 705 bytes from 192.58.128.30#53(j.root-servers.net) in 32 ms

zouchanglin.cn.         86400   IN      NS      ns2.bdydns.cn.
zouchanglin.cn.         86400   IN      NS      ns1.bdydns.cn.
3QDAQA092EE5BELP64A74EBNB8J53D7E.cn. 21600 IN NSEC3 1 1 10 AEF123AB 3QLMP0QRNQ96G5AFGOPNB7U7IJ4MBP4B NS SOA RRSIG DNSKEY NSEC3PARAM
3QDAQA092EE5BELP64A74EBNB8J53D7E.cn. 21600 IN RRSIG NSEC3 8 2 21600 20191117072923 20191018072244 38388 cn. HXL4nUKND4ZJq6ZnjNKV0IyMCWh21KV9DA/hc/SBYpBNSE8fdq1Y7KlG O8DO+sgP/M68Zrkuml7cFTiFaJ1uYo7gHD55knKBrc1EbLRI3SehH6Q7 5iTGkZKEt70J2F4MnJ7gTdXUUhaJj5pEC8TiIB/Jebn5BV+FnyRh6XKJ s/c=
SCLRQS9HBJL71295P4F8PH8S15CT2KFH.cn. 21600 IN NSEC3 1 1 10 AEF123AB SCPV80H0ATA0D0PS0V2HRUN4JOBNVAF5 CNAME RRSIG
SCLRQS9HBJL71295P4F8PH8S15CT2KFH.cn. 21600 IN RRSIG NSEC3 8 2 21600 20191117074411 20191018065339 38388 cn. NdnRI6dmaFEFC0Qr/KbXIHQCXKt5jRLC+swFocjNI4BQCbvs3vhr37aZ 2VfW/lCxGPtvp5uV8juI7CY5X71w7MwCblJfZmsQ5n6Y9kfV4INqAW3E mOvoLcwX2mAwWQ4+pACdR5vdg7b6zdHBcdBvLJL2iCN8oU7826uaKNlb DR0=
;; Received 609 bytes from 103.137.60.44#53(ns.cernet.net) in 51 ms

zouchanglin.cn.         300     IN      A       139.159.234.67
;; Received 59 bytes from 119.75.222.53#53(ns2.bdydns.cn) in 40 ms

[root@localhost ~]#
```

DNS域名解析

# 私有IP地址

之前我们讨论了， IPv4协议中，IP地址数量不充足的问题
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；
NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法；
很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；



![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/95dUmTIigudH.png)


路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

# 网络地址转换 NAT

网络地址转换NAT (Network Address Translation) ：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/xs4EieqTNKXs.png)


NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；

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# 网段划分

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起，如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。

手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情。有一种技术叫做DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。一般的路由器都带有DHCP功能。因此路由器也可以看做一个DHCP服务器。



过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示：

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A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。

分类的IP地址的弱点:
1、IP地址空间的利用率有时很低
2、两级IP地址不够灵活



针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)：
引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串 "0" 来结尾；将IP地址和子网掩码进行 "按位与" 操作, 得到的结果就是网络号；网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关；



子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址，那为什么要分离呢？因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。如果网络地址相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。 

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# 路由

在复杂的网络结构中， 找出一条通往终点的路线；

当IP数据包，到达路由器时， 路由器会先查看目的IP；路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器；依次反复；一直到达目标IP地址；

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表；可以使用route查看路由表：

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路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳地址，Iface是发送接
口，也就是网卡，Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发；

如果要发送的数据包的目的地址是192.168.45.3 

跟第一行的子网掩码做与运算，与第一行的目的网络地址不符
跟第二行的子网掩码做与运算，与第二行的目的网络地址不符
跟第三行的子网掩码做与运算，得到192.168.45.0，正是第三行的目的网络地址，因此从eth1接口发送出去；

如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2

依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配；
按缺省路由条目，从eth34接口发出去，发往192.168.10.1路由器；
由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址；

# ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议

ARP协议的作用：ARP协议建立了主机IP地址和MAC地址的映射关系。

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；不过ARP协议只能用于IPv4，不能够用于IPv6，IPv6中可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息！

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源主机发出ARP请求，询问 IP地址是172.20.1.2的主机的硬件地址是多少，并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)；
目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自
己的硬件地址填写在应答包中；
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟)，如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/DIx2kKCiG68L.png)


这种缓存可以有效减少ARP包的发送，反之，接受ARP包的主机也可以通过这个ARP包把发送方的MAC地址缓存起来，从而根据MAC地址发送ARP响应包给发送端主机，并作为响应，因此在接收主机缓存MAC地址也是一种提高效率的方式。



MAC地址的缓存是有期限的，超过这个期限，缓存的内容将被清除，这使得MAC地址与IP地址对应关系发生了变化，也依旧能够将IP数据报正确的发给目标地址。

ARP包格式：
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硬件类型指链路层网络类型，1为以太网；

上层协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址；

HLEN：MAC地址的长度 = 6 (字节)；

PLEN：IP地址的长度 = 4 (字节)；

操作码 ： 该字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。



## IP地址和MAC地址缺一不可

如图所示，主机A想要发IP数据报给主机B的时候必须经过路由器c，即使主机A知道了主机B的MAC地址，，由于路由器会隔断两个网络，还是无法实现从主机A直接发送到主机B，此时主机A必须先把数据报发送给路由器C的MAC地址C1：

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/uiQxrUtd29WJ.png)


在以太网上发送IP数据包的时候，“下一次要经过那个路由发送数据包” 这一信息非常重要，而这里的“下一个路由器” 就是相应的MAC地址。由此看来IP地址和MAC地址缺一不可，将这两个地址关联起来就形成了ARP协议。

NAT技术与ARP协议

# 计算机网络性能指标

## 1、速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率。连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。单位是b/s，kb/s， Mb/s，Gb/s, Tb/s。下面是速率和存储容量的区别：

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## 2、带宽

原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。
计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中
的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是"比特每秒"，b/s， kb/s, Mb/s， Gb/s。表示在单位时间内通

## 3、吞吐量

过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位b/s, kb/s, Mb/s等。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/666WF9HrPkti.png)


## 4、时延

指数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。
![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/Q6LDAQUg2zuK.png)


## 5、时延带宽积

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/jtrv216UloAY.png)


## 6、往返时延 RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/YrVeUQXbfLFb.png)


RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。因为我等得越久，就有更多的时间发送数据。RTT包括往返传播时延，也就是传播时延的二倍，同时也包括了末端处理时间。

## 7、利用率

信道利用率和网络利用率，信道利用率是有数据通过的时间 / (有+无)数据通过的时间

网络利用率就是信道利用率加权平均值

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# 网络其他概念

## 1、OSI 参考模型
![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/ye3B05aK8iP4.png)


## 2、三种通信方式

① 单工通信

单工通信只有一个方向的通信 而没有反方向的交互，仅需要一条信道。

② 半双工通信

半双工通信通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。

③ 全双工通信

全双工通信通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

## 3、两种数据传输方式

串行与并行

![mark](https://img.zouchanglin.cn///20200202/P64F6CeNzvYV.png)