前言
网络是我们工程师的基础技能之一， 毕竟没有网络我们什么也干不了。从各大公司的招聘要求上看，网络也是重点的考核部分。
理解网络模型
网络的设计大佬们想出了分层的设计，将各个功能分开，交付给不同的层，这样的好处是便于更新和维护(IPv6的到来并没有使整个网络重新设计)，也便于我们的学习和理解。
下面是各个版本的网络体系的结构图:
让我们明确下各层的工作职责(以五层协议为例):
- 应用层，该层协议主要负责各个应用程序之间交互的规则。如HTTP,DNS,其交互的数据单元可以称为”报文”
- 运输层，为应用层提供通用的数据传输服务。为上层跑腿的，TCP,UDP均是运输层协议
- 网络层，为网络中不同的主机提供通信服务。IP协议工作在该层
- 数据链路层，负责相邻两点的数据传送
- 物理层，传输比特流， 0 或 1，每一层将数据封装成自己能理解的数据格式交付给下一层，下一层将收到的作为自己的数据再次添加本层的必要数据向下交付，直到链路层，传递到目的地后，每层再将该层的必要数据去掉，交付给上层。
如下图:
理解IP协议
在理解了网络模型和各层直接的配合之后，下面进入今天的正题，网际协议(IP)。
该节主要理解IP协议给我们提供的功能有哪些，说白了就是它能干嘛。
- 为网络中的主机(PC或路由或网关)提供身份证
- 定义了网络主机的基本交流方式，从IP数据报的格式可以看出
- 为路由寻址提供方便，从路由表结构可以看出。
任何一个协议都可以由语法,语义和同步三部分组成。
- 语法，交换信息的格式，对于IP协议，就是IP报文的格式
- 语义，即需要发出何种控制信息，以及接收到信息后如何响应
- 同步，对事件顺序的详细说明
也就是定义了使用IP协议进行交流的法则。
IPv4
IPv4是IP协议的第4个版本，就是我们现在使用的。下面从多个方面了解下该版本。
IP地址
网络上的主机都需要一个IP地址，这样才能知道彼此的位置。IPv4地址由32bit构成，常使用点分十进制表示(192.168.1.1)。
分类
IP地址的分类就是把所有IP划分为若干类别，每一类都由固定长度的字段组成。分别为网络号和主机号。
下面是各类地址组成示意图:
- A类地址，8位网络号,第一位固定为0。可用的网络号只有126个(2^7-2)，网络号从0到127。减去2是因为IP地址全为0表示”本网络”保留;网络号为127作为软件回环测试使用，若主机发出目的地为127.0.0.1的数据时，该数据不会向任何网络上的主机发送。也就是说127开头的地址不能使用。对于A类地址中的每一个网络号，对应的主机号有(2^24-2)个，主机号全0表示，其网络号对应的网络地址，全1表示所有主机的意思。
- B类地址网络号为16位，但前面2位以固定为1 0。无论怎么取值，无法出现全0或全1的情况。128.0.0.0的网络是不使用的，实际使用的最小B类网络地址为128.1.0.0.所以B类的网络地址有(2^14-1)个。
- C类的地址有24位的网络号，最前面的3位固定为1 1 0.192.0.0.0的网络地址也是不使用的，最小的C类地址为192.0.1.0 。
总结如下:
分类的好处:
- 方便管理，IP地址管理机构只需管理网络号，剩下的可以由下级管理。
- 路由寻址时根据网络地址转发分组，减小路由表。
数据报格式
先看下IP数据报的基本格式:
可以看到IP数据报包含了首部和数据部分。其中首部包含固定的20字节和可变的部分。
下面是各部分的解释:
- 版本，占4位，IP协议的版本号，通信双方需要相同
- 首部长度，占4位，单位4字节。最大能表示(2^4-1) * 4 = 60字节。当IP分组的首部长度不是4的整数倍时，需要使用填充字段填充
- 区分服务，占8位，表示服务类型未使用;
- 总长度，占16位，表示首部和数据部分的总长度(单位字节)。因此数据报的最大总长度为(2^16-1 = 65535)字节
- 标识(identification)，占16位，当数据报长度超过下层的MTU时，需要分片， 被分片的数据报的标识一样，这样可以进行重组
- 标志(Flag)， 占3位，目前只有2位有意义
- 最低位，MF(More Fragment) = 1 表示后面还有分片。MF = 0 表示分片中的最后一个
- 中间一位，DF(Don’t Fragment)，不要分片，只有当DF=0才允许分片
- 片偏移， 占13位，较长的分组在分片后，某片在原分组的相对位置必须是8字节的整数倍。
- 生存时间，占8位，Time To Live(TTL)，开始指生存的秒数，后来变为经过路由的跳数，每经过一个路由TTL减小1，当为0时丢弃该数据。显然最大跳数为255，为1时就只能在局域网中传播了。
- 协议， 占8位，支出该数据报的数据是使用何种协议， 以便目的主机IP层知道将数据交付给哪个协议处理。
常用的协议及对应数值:
- 首部校验和， 占16位，数据报的首部校验和，不包括数据部分
- 源地址， 目的地址， 各占32位。
IPV6
IPv6的出现是解决IPv4资源枯竭的问题。其仍然支持无连接的传送，但传送的是PDU分组，而不是IPv4的数据报。
IP地址
IPv6的地址是128bit，在可预见的未来是够用的。但和IPv4版本并不兼容, 若使用IPv4版本的主机A和使用IPv6版本的主机B之间通信是需要特殊处理的,在后面会介绍方法。
IPv6的地址表示
IPv6的地址采用冒号十六进制记法 ， 8组4个16进制数字，中间使用冒号隔开。
例如:
6845:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:9000:FFFF
- 若一组中全是0，可以省略三个
- 若存在连续多组0，可以使用冒号取代，但只能压缩一次 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以压缩为 FF05::B3 1090:0:0:0:8:800:200C:417A 可以压缩为 1090::8:800:200C:417A 全零可记为 ::
- 最后的2组可以使用IPv4的点分十进制表示 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 可表示为 ::128.10.2.1 。
数据报格式
IPv6数据报由两大部分组成，基本首部和有效载荷。有效载荷运行有0个或多个扩展首部。
可以看到IPv6的首部是固定的40字节，和IPv4不同;在组成上也有很大区别，下面看下各部分的意思。
- 版本，占4位，协议的版本通信双方需要相同
- 通信量类，占8位，区分不同的IPv6的数据报或优先级
- 流标号，占20位，IPv6一个新机制就是支持资源预分配，运行路由把每个数据报与特定的资源分配和联系。IPv6提出流的概念指互联网上从特定源点到特定终点的一系列数据报(如实时的音频或视频传输)，在这个流经过的路径上路由都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报具有相同的流标号。赋值为0即为关闭
- 有效载荷长度，占16位，指明除基本首部以外的字节数。最大64KB;
- 下一首部，占8位，相当于IPv4的协议字段或可选字段。
- 当IPv6没有扩展首部时，该字段和IPv4的协议字段一样;
- 有扩展首部时，表示第一个扩展首部的类型
- 跳数限制，和IPv4的TTL一样
- 源地址，目的地址，各占128位。
从IPv4向IPv6过渡
网络如此庞大，从IPv4向IPv6的变换不可能一蹴而就。若要在两个版本的协议下通信，有下面的2个方法。
双协议栈
简单的说就是一个主机能够理解两个版本的内容，这样主机也要有2个版本对应的IP地址。具有双协议栈的主机，可以通过DNS系统知道目的主机使用的协议版本了。
下面是两台使用IPv6的主机通信示意图，它们之间需要通过IPv4网络，在必要的时候经过双协议栈的主机进行协议的转换，当然转换的时候有些信息可能丢失，这也是不可避免的。
使用隧道技术
隧道技术的原理是，在IPv6的数据需要进入IPv4网络时，将IPv6的数据报(准确的说是PDU)当成IPv4数据报的数据部分，使用IPv4版本传输，在离开IPv4网络时在此组装成IPv6的数据，发往目的地。
下面是一个示意图:
