【网络相关面试问题——八股文篇（下）】
目录
一、网络层
1、IP协议
（一）IP协议报头
（二）地址管理
（三）路由选择
二、数据链路层
三、扩展知识：DNS
在上篇和中篇我们介绍了关于应用层和运输层的一些协议和细节，在此篇我们描述关于网络的剩下三层内容~
一、网络层
网络层最核心的协议就是IP协议，下来我们看什么是IP协议~
1、IP协议
主要完成量方面的工作：
①、地址管理
②、路由选择
（一）IP协议报头
（一）4位版本：IP协议的版本号，当前取值只有两种，0100（IPv4），0110（IPv6）。我们只要讨论IPv4。
（二）四位首部长度：IP的报头和TCP报头类似，都是可变的，带有选项。4位取值范围0-15，单位是4字节。如果取值是1111=>15，实际表示的首部长度就是60字节。
（三）TOS：有8位，实质上只有四位是有效的。4位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。（一个IP数据报头，只能取其中一种，不存在兼得的情况，只得其一）
IP协议能够规划出两点之间一条比较合适的路径，那么根据什么来规划呢？就是通过TOS，四种TOS选项分别规划四种不同路径来进行发送。
（四）16位总长度：16位=>最大长度64k，单个IP数据报最大长度也不能超过64K。
如果要构造一个更长的数据报如何处理？
IP协议自身实现了分包和组包的功能。
（五）下面这三个字段用于分包和组包：
如果整个IP数据报太长了，超过了64k，此时IP协议就会把这个大包拆分成多个小包。
一个IP数据报=IP报头 + IP数据载荷（TCP数据报）
在进行分包的时候，IP数据报不考虑载荷里面的数据是什么，只是单纯的对数据载荷进行了切分。
如何区分这多个IP数据报，是从同一个大的IP数据报拆分而来？
16位标识：多个被拆分出来的IP数据报，里面的这16位标识的值是相同的。
TCP数据报的粘包问题需要规定边界，如何判断在原始IP数据报中的位置顺序？
13位片偏移：通过这13位片偏移，来描述多个包在原始IP数据报中的先后顺序。
片偏移越小，位置越靠前~
如何判断在这个数据报后还有没有别的数据报？
三位标志：三位中只有一位是好使的，0表示还有后续，1表示这是最后一个包。（结束标记）
接收方缓冲区如何对这些数据报进行处理？
缓冲区收到数据报后根据这三个字段进行分配连续空间，到达的数据报会插入到指定的位置。
（六）8位生存时间：表示一个IP数据报，在网络上还能存在多久，单位是 次 。IP数据报初次发送时，会有初始的TTL（常见取值128、64）IP数据报每次经过一个路由器，TTL就会减一。当TTL减到0时，此时转发这个包的路由器就会把这个包丢弃。
（七）8位协议：传输层使用的是什么协议，TCP或者UDP都有不同的取值。
（八）16位首部检验和：用于校验数据是否正确。
（九）32位源IP地址（发送方地址）和32位目的地址（接收端地址）。
对于IPv4来说，一个IP地址本质上是32位的整数。使用“点分十进制”表示这个IP地址
每八位为一体将32位划分为4部分，每个部分一个字节，每个部分的取值为0-255.
（二）地址管理
IP地址是由“点分十进制”构成的数据，同时，我们把IP地址分为两部分，网络号+主机号。
网络号：描述当前的网络信息（局域网标识）
主机号：区分了局域网内部的主机
此处我们要求：同一个局域网内部，主机之间的网络号是相同的，主机号是不能相同的。两个相邻的局域网（同一路由连接的）网络号也是不同的。
以宿舍为例：
问题：前多少bit位是网络号？
引入一个“子网掩码”的概念，通过子网掩码判断表示多少个bit位是网络号，也是“点分十进制”，区别在于：子网掩码的左侧都是1，右侧都是0（不会1 0 混排）左边的这些1就表示这一位是网络号，剩下的右边的0表示哪些是主机号。
例如：255.255.255.0 =》 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 前24个bit位就是网络号，后8个比特位就是主机号。
一些特殊的IP地址：
①主机号全为0，该IP就表示网络号。
②主机号全为1，该IP就表示“广播地址”，往这个广播地址上发的消息，整个局域网都能收到。
③IP地址以127开头的，该IP表示“环回IP”，表示主机自己，127.0.0.1（环回IP的典型代表）
④IP地址是10开头、192.168开头、172.16-172.31开头，表示该IP地址是一个局域网内部的IP（内网IP），除此之外，剩下的IP称为外网IP。
要求外网IP一定是全网唯一的，每个外网IP都会对应到唯一的一个设备。内网IP在当前局域网内部是惟一的，不同的局域网里，可以有相同的内网IP的设备。
考虑到IPv4协议，使用的IP地址是32位整数（42亿九千万）。现实全世界的设备已经几近超过42亿九千万，让每个设备都有唯一的IP地址，已经不现实了。这个问题如何解决？
方案一：
动态分配IP地址，每个设备连上网的时候，才有IP，不联网的时候就没有IP。
方案二：NAT机制
让多个设备共用一个IP（外网IP）
把网络分成内网（局域网）和外网（广域网），要求外网IP必须表示唯一的设备。内网中的若干个设备，可以共同使用同一个外网IP~
NAT机制把IP分成了内网和外网，也就隐含了一个重要的结论：对于一个外网IP，可以在互联网的任意位置都可以访问；对于一个内网IP，只能在当前局域网内部访问，局域网1的设备，不能使用内网IP访问局域网2的设备。
方案三：IPv6
IPv6在报头使用了一个更长的字段来表示IP地址：16字节，128位
IPv6（给地球上的每粒沙子都分配一个IP地址！！！！）
唯一最大问题：IPv4和IPv6不兼容~对于一个设备来说，支持IPv4和IPv6是两个截然不同的机制。
IPv4升级到IPv6那就牵扯到一个问题-----》
（三）路由选择
路由选择其实就是在规划路径，两个设备之间需要找到一条通道，能够完成传输的过程。
IP协议的路由选择类似于问路，IP数据报中的目的地址，就表示这个包要发到哪里去。
如果数据报中的目的地址，当前路由器认识，就可以直接告诉你路~如果当前路由器不认识，就会大概给出你一个方向，让你走到下一个路由器的时候再进行询问~依次往后，间接意味着距离目的地址越来越近，总会有一个路由器认识这个目的地址，于是就可以直接转发过去~
特别指出：有时，不光遇到了一个认识这个地址的路由器，并且它还认识多条路，此时就可以选择一个更合适的路径。
二、数据链路层
1、数据链路层主要的协议，叫做“以太网”。以太网协议不仅仅规定了数据链路层的内容，也规定了物理层的内容。
已经存在IP地址为何还要有物理地址？
当初网络层协议和数据链路层协议，是各自独自研发出来的~mac地址和IP地址，就有些重复，现状就是当前mac地址和IP地址混合使用，表示的功能不同~IP用来表示一次传出过程中起点和终点。（不考虑NAT的情况，一个IP数据报中源IP和目的IP是固定的）mac用来表示传输过程中，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）
2、说到以太网，不得不说说“以太网数据帧”。
上述就是一些以太网数据帧格式。
以太网数据帧通过6个字节来表示源地址和目的地址。
这就比IPv4地址更长了6W多倍，此时这里的地址就称为“mac地址”。mac地址做到了每个设备都是唯一的（每个网卡都是唯一的），在网卡制作完成出厂的时候就写死的。
对以太网数据帧做如下分析：
类型：类型代表后面搭载的是何种数据。例如是0800，就搭载的是一个IP数据报，0806和8035就是特殊情况~
CRC：帧尾就是一个基于CRC算法的校验和。
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，不同的硬件设备，对于的数据链路层协议可能又不一样，如果数据报超过了MTU如何处理？IP层分包~~IP层的分包并不是给IP的报头64K准备的，更多的是为了适应数据链路层的MTU。
MSS：TCP中在IP不分包的前提下，最多能够搭载多少载荷。取决于MTU、TCP、IP的报头（报头是可变长度）分包存在开销，MSS对于TCP起到一定的提示效果，当当前传输TCP的数据长度不超过MSS的时候，是属于最高效的状态。
ARP：ARP报文并不是用于传输数据的，只是起到了一个辅助的效果。
路由器这样的设备在转发数据的时候，首先拿到的是一个IP地址（目的地址），通过IP地址决定接下来这个数据怎么走（从哪个端口出，发到哪个设备上），因此就得决定，接下来封装的以太网数据帧，目的mac是啥~~需要根据APR协议，建立起IP->mac这样的映射关系。
三、扩展知识：DNS
DNS是一个应用层协议（域名解析）
IP地址的二进制写法和点分十进制写法对于人类来说都不算很友好，因此就决定使用一串英文单词来表示这个IP地址。这串英文单词就称为域名。域名和IP地址之间，是存在一一对应关系的。
于是乎，建立了专门的机构，负责维护域名和IP的对应关系。比如要申请一个域名，去这个机构报备即可。这个机构维护了一组服务器，把hosts文件存到服务器->域名解析服务器。
考虑到全世界同时访问这个域名解析服务器的话，服务器的压力过于大，因此，全世界各个地区的国家、地区、城市、有各自的网络运营商，这些网络运营商会就进架设域名解析镜像服务器。咱们平时上网的时候，一般就是就近访问了咱们的镜像服务器。
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