Routing TCP/IP notes

summary

IP Address/Mask

🔗私有IP地址共有三个范围段

在现在的网络中，IP地址分为公网IP和私有IP地址。公网IP是在Internet使用的IP地址，而私有IP地址是在局域网中使用的IP地址。

由于我们目前使用的IP V4协议的限制，现在IP地址的数量是有限的。这样，我们就不能为居于网中的每一台计算机分配一个公网IP。所以，在局域网中的每台计算机就只能使用私有IP地址了，如我们常见的192.168.0.*，就是私有IP地址。
私有IP地址是一段保留的IP地址。只是使用在局域网中，在Internet上是不使用的。
私有IP地址的范围有：
10.0.0.0-10.255.255.255
172.16.0.0—172.31.255.255
192.168.0.0-192.168.255.255

上述的IP地址都是可以使用在局域网中的。

Address Mask

TCP/IP 路由技术 P15

地址掩码表示整个数据链路的地址——非特指某台主机的网络地址，可以用IP地址的网络部分来表示，其中主机位全部为0。

每一台设备和接口都将被分配一个唯一的，主机号明确的地址，例如 172.21.35.17。 如果需要知道自身的地址，还需要能够确定能够确定它所属的网络，就需要地址掩码来完成。地址掩码是一个32位的字符串，与IPv4的每一位相对应。

subnet & subnet mask

TCP/IP 路由技术 P16

子网划分及子网掩码计算方法

• 子网掩码的概述及作用

1. 子网掩码是一个应用于TCP/IP网络的32位二进制值，每节8位，必须结合IP地址对应使用。

2. 子网掩码32位都与IP地址32位对应，如果某位是网络地址，则子网掩码为1，否则为0。

3. 子网掩码可以通过与IP地址“与”计算，分离出IP地址中的网络地址和主机地址，用于判断该IP地址是在局域网上，还是在广域网上。

4. 子网掩码一般用于将网络进一步划分为若干子网，以避免主机过多而拥堵或过少而IP浪费。

• 为什么要划分子网？

例如：在A类IP地址中，每个A类网络可能有16，777，214台主机，它们处于同一广播域。在同一广播域中有这么多主机是不可能的，网络会因为广播通信而饱和。另一方面，IP地址资源越来越少。为实现更小的广播域，就需要进一步分成更小的网络。划分子网后，通过使用掩码，把子网隐藏起来，使得从外部看网络没有变化，这就是子网掩码。

Unicast/Broadcast/Multicast

🔗多播和广播

Unicast

主机之间「一对一」的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。

如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。

但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用IP单播协议。

网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。

• 单播的优点：

1. 服务器及时响应客户机的请求

2. 服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。

• 单播的缺点：

1. 服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。

2. 现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。

现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞，只要有5％的客户在全速使用网络，其他人就不要玩了。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

Broadcast

主机之间「一对所有」的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。

有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。

在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。

• 广播的优点：

1. 网络设备简单，维护简单，布网成本低廉

2. 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。

• 广播的缺点：

1. 无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。

2. 网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。

例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。

也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。

1. 广播禁止在Internet宽带网上传输。

Multicast

主机之间「一对一组」的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。

主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。

这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。

• 组播的优点：

1. 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。

2. 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。

IP协议允许有2亿6千多万个（268435456）组播，所以其提供的服务可以非常丰富。

1. 此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。

• 组播的缺点：

1．与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。

2．现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

ARP、Proxy arp

🔗图解ARP协议

🔗代理ARP原理和实践

🔗ARP报文格式解析

• 代理ARP

• 无故ARP

• 反向ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

ARP协议字段解读

Hardware type ：硬件类型，标识链路层协议

Protocol type： 协议类型，标识网络层协议

Hardware size ：硬件地址大小，标识MAC地址长度，这里是6个字节（48bti）

Protocol size： 协议地址大小，标识IP地址长度，这里是4个字节（32bit）

Opcode： 操作代码，标识ARP数据包类型，1表示请求，2表示回应

Sender MAC address ：发送者MAC

Sender IP address ：发送者IP

Target MAC address ：目标MAC，此处全0表示在请求

Target IP address： 目标IP

ICMP/Traceroute

ICMP

ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet 控制报文协议。它本身不会像TCP、UDP那样作为信息载体的传输协议，但是它可以承载一些数据交互性的数据，针对网络情况作出判断和结果输出。按照官方语言解释就是：错误侦测与回报机制。

ICMP经常被认为是IP层的一个组成部分，它是网络层的一个协议，它传递差错报文以及其他需要注意的信息，ICMP报文通常被IP层或更高层（TCP、UDP等）使用，它是在IP数据报内传输的。

ICMP报文大致分为两类：查询报文和差错报文。

先来看差错报文。当传送IP数据报发生错误时（比如主机不可达、网络不可达等），ICMP协议将会发送一个ICMP差错报文给源主机，好让主机做出相应的处理，也因此IP层以上的一些协议有可能做到可靠传输。书中给出了ICMP差错报文中的一些组合（类型和代码的组合）描述：如网络不可达、网络不可达、协议不可达、端口不可达等。这里说下端口不可达的意思：UDP的规则之一是，如果收到一份UDP数据报而目的端口与某个正在使用的进程不相符，那么UDP返回一个ICMP不可达报文，将报文中的类型和代码的组合设定为端口不可达。Traceroute程序就是利用端口不可达来产生ICMP差错报文的。

另外，在大多数情况下，传送IP数据报发生错误，会产生一个ICMP错误报文，但下面各种情况都不会导致产生ICMP差错报文：

• ICMP差错报文不会产生差错报文（ICMP查询报文可能会产生ICMP差错报文）；

• 目的地址是广播地址和多播地址的IP数据报；

• 作为链路层广播的数据报；

• 不是IP分片的第一片

• 源地址不是单个主机的数据报。

这些规则是为了防止过去允许ICMP差错报文对广播分组影响所带来的广播风暴。
再来看ICMP查询报文，查询报文主要用途有：

• 子网掩码查询

• 时间戳查询

• ping查询

ICMP Packet format

traceroute

Tracert 命令用 IP 生存时间 (TTL) 字段和 ICMP 错误消息来确定从一个主机到网络上其他主机的路由。

traceroute， Linux系统称为tracepath，Windows系统称为tracert，是一种计算机网络工具。它可显示数据包在IP网络经过的路由器的IP地址。通过traceroute我们可以知道信息从你的计算机到互联网另一端的主机是走的什么路径。

traceroute有不同的实现版本：常规的traceroute(基于UDP和ICMP)和tcptraceroute(基于TCP)

traceroute principle

常规的traceroute和tcptraceroute具有相同的工作原理：

发送一个TTL(Time-To-Live)相当小的包，TTL经过每一跳时会递减。当它减为0时，数据包就被丢弃。

1. 当TTL失效后，看哪个路由器返回一个带有表明的ICMP “time exceeded”

2. 如果返回的路由器就是最终的目的地，停止trace

3. 否则，TTL加1并返回到步骤1

两者的不同点：

常规的traceroute使用UDP包或ICMP “Echo”包，这两种包都可能会被防火墙拦截。

• tcptraceroute使用TCP “SYN”包。发送带SYN标志位的数据段是TCP建立连接时进行“三次握手”的第一次握手，只要目标地址是被允许访问的，通常这种包不会被防火墙拦截。但是防火墙会拦截其他的不是用于建立连接的TCP包。

• 基于TCP的traceroute拥有更高的访问权限。以amazon.com为例。基于UDP的traceroute停在205.251.248.5，这个地址很可能是某种防火墙。基于TCP的traceroute访问80端口，这是amazon.com的默认端口，然后进入下一步，最终停在72.21.194.212

IP/UDP/TCP Packet format

IP Packet format

• 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；

• 首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为首部固定长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。

• 区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。

• 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。

• 生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。

• 协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。

• 首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。

• 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。

• 片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。

UDP Packet format

TCP Packet format

DHCP/DHCP Relay

🔗DHCP wiki

🎬DHCP Explained | Step by Step （step 2 为单播）

• DHCP 地址分配的流程

DHCP运行分为四个基本过程，分别为请求IP租约、提供IP租约、选择IP租约和确认IP租约。

• DHCP discover

  - 客户在物理子网上发送广播来寻找可用的服务器。网络管理员可以配置一个本地路由来转发DHCP包给另一个子网上的DHCP服务器。该客户实现生成一个目的地址为255.255.255.255或者一个子网广播地址的[UDP](https://zh.wikipedia.org/wiki/UDP)包。

客户也可以申请它使用的最后一个IP地址。如果该客户所在的网络中此IP仍然可用，服务器就可以准许该申请。否则，就要看该服务器是授权的还是非授权的。授权服务器会拒绝请求，使得客户立刻申请一个新的IP。非授权服务器仅仅忽略掉请求，导致一个客户端请求的超时，于是客户端就会放弃此请求而去申请一个新的IP地址。

  - 组播

• DHCP offer

  - 单播

  - 当DHCP服务器收到一个来自客户的IP租约请求时，它会提供一个IP租约。DHCP为客户保留一个IP地址，然后通过网络单播一个DHCPOFFER消息给客户。该消息包含客户的MAC地址、服务器提供的IP地址、子网掩码、租期以及提供IP的DHCP服务器的IP。

服务器基于在CHADDR字段指定的客户硬件地址来检查配置。这里的服务器，192.168.1.1，将IP地址指定于YIADDR字段。

• DHCP request

  - 当客户PC收到一个IP租约提供时，它必须告诉所有其他的DHCP服务器它已经接受了一个租约提供。因此，该客户会发送一个DHCPREQUEST消息，其中包含提供租约的服务器的IP。当其他DHCP服务器收到了该消息后，它们会收回所有可能已提供给客户的租约。然后它们把曾经给客户保留的那个地址重新放回到可用地址池中，这样，它们就可以为其他计算机分配这个地址。任意数量的DHCP服务器都可以响应同一个IP租约请求，但是每一个客户网卡只能接受一个租约提供。

• DHCP ack

  - 当DHCP服务器收到来自客户的REQUEST消息后，它就开始了配置过程的最后阶段。这个响应阶段包括发送一个DHCPACK包给客户。这个包包含租期和客户可能请求的其他所有配置信息。这时候，TCP/IP配置过程就完成了。

该服务器响应请求并发送响应给客户。整个系统期望客户来根据选项来配置其网卡。

windows下在cmd里输入

ipconfig /release 可以释放当前网卡获取的ip地址。

ipconfig /renew 为网卡重新从DHCP服务器上面获取新的IP地址。

• 了解DHCP 常用option

• 了解DHCP 中继

• 学习任务：利用路由器搭建一个DHCP 中继，并且让host 通过中继获得IP

🔗DHCP Relay封包解析

The differents of Router and Switch

🔗交换机和路由器的区别

🔗网络交换机

router

layer-3 switch

出于安全和管理方便的考虑，主要是为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地域等因素划成一个个小的局域网，这就使VLAN技术在网络中得以大量应用，而各个不同VLAN间的通信都要经过路由器来完成转发，随着网间互访的不断增加。单纯使用路由器来实现网间访问，不但由于端口数量有限，而且路由速度较慢，从而限制了网络的规模和访问速度。基于这种情况三层交换机便应运而生，三层交换机是为IP设计的，接口类型简单，拥有很强二层包处理能力，非常适用于大型局域网内的数据路由与交换，它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能，同时又具有几乎第二层交换的速度，且价格相对便宜些。

Mirror packet on Switch

🔗思科交换机镜像端口介绍配置

端口镜像（port Mirroring）功能通过在交换机或路由器上，将一个或多个源端口的数据流量转发到某一个指定端口来实现对网络的监听，指定端口称之为“镜像端口”或“目的端口”，在不严重影响源端口正常吞吐流量的情况下，可以通过镜像端口对网络的流量进行监控分析。在企业中用镜像功能，可以很好地对企业内部的网络数据进行监控管理，在网络出故障的时候，可以快速地定位故障。

Check mac-address on Switch

🔗交换机工作原理、MAC地址表、路由器工作原理详解

🔗en_wiki

在交换机中有一张记录着局域网主机MAC地址与交换机接口的对应关系的表，交换机就是根据这张表负责将数据帧传输到指定的主机上的。

交换机在接收到数据帧以后，首先、会记录数据帧中的源MAC地址和对应的接口到MAC表中，接着、会检查自己的MAC表中是否有数据帧中目标MAC地址的信息，如果有则会根据MAC表中记录的对应接口将数据帧发送出去(也就是单播)，如果没有，则会将该数据帧从非接受接口发送出去(也就是广播)。

Flooding

洪泛法（Flooding）是一种简单的路由算法，将收到的封包，往所有的可能连结路径上递送，直到封包到达为止。洪泛法被使用在桥接器上，Usenet以及点对点档案分享等。部分的路由协定也以洪泛法为基础，例如开放式最短路径优先（OSPF）、距离向量群体广播路由协定(Distance Vector Multicast Routing Protocol，DVMRP)。无线随意网络也使用洪泛法来进行路由。

交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写 入MAC地址表中。交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。

Vlan/Trunk

🔗VLAN和Trunk 🔗交换机端口untaged、taged、trunk、access 的区别 🔗wiki

虚拟区域（Virtual Local Area Network或简写VLAN, V-LAN）是一种建构于局域网交换技术（LAN Switch）的网络管理的技术，网管人员可以借此透过控制交换机有效分派出入局域网的分组到正确的出入端口，达到对不同实体局域网中的设备进行逻辑分群（Grouping）管理，并降低局域网内大量数据流通时，因无用分组过多导致壅塞的问题，以及提升局域网的信息安全保障。

VLAN

VLAN可以为网络提供以下作用：

• 广播控制

• 带宽利用

• 降低延迟

• 安全性（非设计作用，本身功能所附加出的）

Trunk

根据Andrew S. Tanenbaum，在虚拟局域网技术中，主干“Trunk”一词用来描述连接多个虚拟局域网的链接。每个局域网都由一个被插入到它们所发送数据的标签“Tag”进行标识。这些主干（Trunk）只能工作在有标签（Tag）标注的设备之间，而且这些设备必须能够支持虚拟网络技术，所以主干（Trunk）被通常是连接路由器或交换机的，而不是连接端口的。

IPv6 Address

🔗IPv6 address wiki

EtherChannel/LACP

🔗EtherChannel(PAgP、LACP)基本配置—端口聚合—

是由Cisco研发的，应用于交换机之间的多链路捆绑技术。它的基本原理是：将两个设备间多条相同特性的快速以太或千兆位以太物理链路捆绑在一起组成一条逻辑链路，从而达到带宽倍增的目的。除了增加带宽外，EtherChannel还可以在多条链路上均衡分配流量，起到负载分担的作用；当一条或多条链路故障时，只要还有链路正常，流量将转移到其它的链路上，整个过程在几毫秒内完成，从而起到冗余的作用，增强了网络的稳定性和安全性。在EtherChannel中，负载在各个链路上的分布可以根据源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址、源IP地址和目的IP地址组合，以及源MAC地址和目的MAC地址组合等来进行分布。两台交换机之间是否形成EtherChannel也可以用协议自动协商。目前有两个协商协议：PAgP和LACP，

PAgP(端口汇聚协议 Port Aggregation Protocol)是Cisco私有的协议，

而LACP(链路汇聚控制协议 Link Aggregation Control Protocol)是基于IEEE 802.3ad的国际标准。

STP (Spanning Tree Protocol Explained)

🎬 Spanning Tree Protocol Explained

🔗 wiki

• 802.1D

• PVST

生成树协议（英语：Spanning Tree Protocol，STP），是一种工作在OSI网络模型中的第二层(数据链路层)的通信协议，基本应用是防止交换机冗余链路产生的环路.用于确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构.从而避免了广播风暴,大量占用交换机的资源.

生成树协议工作原理:任意一交换机中如果到达根网桥有两条或者两条以上的链路.生成树协议都根据算法把其中一条切断,仅保留一条.从而保证任意两个交换机之间只有一条单一的活动链路.因为这种生成的这种拓扑结构.很像是以根交换机为树干的树形结构.故为生成树协议

生成树协议是基于Radia Perlman在DEC工作时发明的一种算法[1]被纳入了IEEE 802.1d中，2001年IEEE组织推出了快速生成树协议(RSTP)在网络结构发生变化时其比STP更快的收敛网络,还引进了端口角色来完善了收敛机制,被纳入在IEEE 802.1w中.

STP的工作过程如下：首先进行根网桥的选举，其依据是网桥优先级（bridge priority）和MAC地址组合生成的桥ID，桥ID最小的网桥将成为网络中的根桥（bridge root）。在此基础上，计算每个节点到根桥的距离，并由这些路径得到各冗余链路的代价，选择最小的成为通信路径（相应的端口状态变为forwarding），其它的就成为备份路径(相应的端口状态变为blocking)。STP生成过程中的通信任务由BPDU完成，这种数据包又分为包含配置信息的配置BPDU（其大小不超过35B）和包含拓扑变化信息的通知BPDU（其长度不超过4B）。

Routing table/Route loopup/longest mask match

🔗 路由表wiki

Routing table overview

路由表使用了和利用地图投递包裹相似的思想。只要网络上的一个节点需要发送数据给网络上的另一个节点，它就必须要知道把数据发送到哪。设备不可能直接连接到目的节点，它需要找到另一个方式去发送数据包。在局域网中，节点也不知道如何发送IP包到网关。将数据包发到正确的地址是一个复杂的任务，网关需要记录发送数据包的路径信息。路由表就存储着这样的路径信息，就如地图一样，是一个记录路径信息，并为需要这些信息的节点提供服务的数据库。在当代路由构造中将路由表的控制功能和传输表的传输区分开来[1]。

逐跳路由选择需要所有能到达地址的每个路由表清单，路径中的下一个设备地址，下一个转移地址。假设路由表是一致的，中继包的简单算法是发送数据到每一个地址。逐跳路由选择是IP网络层[2]和OSI网络层的基本特性，与之不同的是IP端到端和OSI传输层的功能。