从物理层开始聊网络协议

（一）带着问题去学习

1.网络灵魂提问

1.我们公司山西DNS，服务被运营商禁止，导致服务不能正常运行，其原理是什么？

2.一般的DNS劫持的原理？如何解决？

3.TCP是面向链接的可靠传输，那么可靠传输如何做到保证的？会带来哪些问题？

4. 我们的网络中如何控制网络流量？

5. 内网如何找到互联网中一个特定的ip？

6. ip地址是32位，但是当前接入的互联网设备远远超过了这个数的容量，那么ip不够是如何维持的？

7.MAC地址在网络中有什么用处？

（二）从物理层–>netty：梳理整个网络IO

1.OSI 七层模型

（三）物理层

1.物理信号解析

物理信号解析包括：波信号、传输电信号、光波信号等数据解析

频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

通过高中知识，频率不同的波合成一个波不会相互影响

时分复用 （Time Division Multiplexing）

时分复用就是分成一个个时间片，每个时间片值发固定的用户信息。

波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是利用不同光的折射率不同来传递信息，主要是光缆。

码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

CDMA 的工作原理

码片序列(chip sequence)

2.传输效率（信道复用FDM技术）

1.提出一个问题：多个人的数据如何同时在一个根网线传送？
多人复用同一根网线主要有以下几种实现方案
1.信道复用技术（FDM）
2.频分复用：不同的频率发，通过波不相互不干扰的特性，通过波拆分
3.波分复用：一个光缆用不同的广播来表示不同的新号段
4.时分复用：一个时间片，固定时间端发固定对象评率
5. CDMA：码片区分

数据通信的基础知识

信道的极限容量

奈氏准则

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为:
C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

奈氏准则和香浓公式的应用范围

3.工作设备

一般的物理设备包括：集线器、双绞线、电缆、光缆

（四）链路层

封装成帧

1.封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

2.首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

差错校验

循环冗余检验 CRC

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码的计算
用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

透明传输

用字节填充法解决透明传输的问题

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

（五）网络层（IP）

1.ARP协议

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，局域网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。相关协议有RARP、代理ARP。NDP用于在IPv6中代替地址解析协议。

arp协议功能

功能
地址解析协议由互联网工程任务组（IETF）在1982年11月发布的RFC 826中描述制定。 [1] 地址解析协议是IPv4中必不可少的协议，而IPv4是使用较为广泛的互联网协议版本（IPv6仍处在部署的初期）。
OSI模型把网络工作分为七层，IP地址在OSI模型的第三层，MAC地址在第二层，彼此不直接打交道。在通过以太网发送IP数据包时，需要先封装第三层（32位IP地址）、第二层（48位MAC地址）的包头，但由于发送时只知道目标IP地址，不知道其MAC地址，又不能跨第二、三层，所以需要使用地址解析协议。使用地址解析协议，可根据网络层IP数据包包头中的IP地址信息解析出目标硬件地址（MAC地址）信息，以保证通信的顺利进行。

arp协议工作过程

工作过程
主机A的IP地址为192.168.1.1，MAC地址为0A-11-22-33-44-01；
主机B的IP地址为192.168.1.2，MAC地址为0A-11-22-33-44-02；
当主机A要与主机B通信时，地址解析协议可以将主机B的IP地址（192.168.1.2）解析成主机B的MAC地址，以下为工作流程：
第1步：根据主机A上的路由表内容，IP确定用于访问主机B的转发IP地址是192.168.1.2。然后A主机在自己的本地ARP缓存中检查主机B的匹配MAC地址。
第2步：如果主机A在ARP缓存中没有找到映射，它将询问192.168.1.2的硬件地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络上的所有主机。源主机A的IP地址和MAC地址都包括在ARP请求中。本地网络上的每台主机都接收到ARP请求并且检查是否与自己的IP地址匹配。如果主机发现请求的IP地址与自己的IP地址不匹配，它将丢弃ARP请求。
第3步：主机B确定ARP请求中的IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机A的IP地址和MAC地址映射添加到本地ARP缓存中。
第4步：主机B将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机A。
第5步：当主机A收到从主机B发来的ARP回复消息时，会用主机B的IP和MAC地址映射更新ARP缓存。本机缓存是有生存期的，生存期结束后，将再次重复上面的过程。主机B的MAC地址一旦确定，主机A就能向主机B发送IP通信了。

arp协议报文格式

IP地址等级划分

提问：
IP4：由255.255.255.255 ，4段总共 32个字节组成，总共的ip个数为2^32-1个，总共为10亿个出头，但是接入设备远远超过这个量级，为什么现在我们网络现在还能正常运行？
答：
回答这个问题，首先要连击ip地址的划分：

1.A类地址：网络地址：（0 1111111）0~127，主机地址：255，255，255
2.B类地址：网络地址：（10，111111）128_191，0255，主机地址：255，255
3.C类地址：网络地址：（110，11111）192_223，0255，0~255，主机地址：255
4.D类地址：224.0.0.0到239.255.255.255，是用于多播（也称为组播）
5.E类地址：用于科学实验，

每个类型的ipv4 地址都有默认地址，默认地址如下：
1.整个地址全为1的地址，这个地址不会被路由，但是会送到相同物理网络段上的所有主机：255.255.255.255
2.主机地址全为0的地址：例如192.168.10.0，10.0.0.0：指的是网络地址
3.节点地址（主机地址）全为1的地址，192.168.10.255，网络广播会被路由，并会发送到专门网络上的每台主机，IP地址的网络字段定义这个网络，
4.127.0.0.1 被保留用于环回测试,指向本地节点，任何计算机都可以用该地址访问自己的共享资源或网站，并且允许该节点发送测试数据包给自己而不产生网络流量。
A类 10.0.0.0 --10.255.255.255 保留了一个A类网络
B类 172.16.0.0–172.31.255.255 保留了32个B类网络
C类 192.168.0.0–192.168.255.255 保留了256个C类网络
这些默认地址就是，我们常说的局域网预留地址，像我们的路由器一般用的局域网默认地址就是192.168.1.1。我们局域网内用这种默认地址，然后如果我们要访问外部地址，就要通过网关去访问外部地址。

（六）传输控制层（TCP/UDP）

（七）应用层（DNS、DHCP、Http）