架构师之路（十五）计算机网络（网络层协议）

前置知识（了解）：计算机基础。

作为架构师，我们所设计的系统很少为单机系统，因此有必要了解计算机和计算机之间是怎么联系的。局域网的集群和混合云的网络有啥区别。系统交互的时候网络会存在什么瓶颈。

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

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。

ICMP协议

ICMP协议是一个网络层协议。一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通；但是IP协议并不提供可靠传输。如果丢包了，IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。所以我们就需要一种协议来完成这样的功能–ICMP协议。

ICMP协议的功能主要有：1. 确认IP包是否成功到达目标地址 2. 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因

我们需要注意几点：

1.ICMP是基于IP协议工作的，但是它并不是传输层的功能，因此仍然把它归结为网络层协议

2. ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6

我们用的ping、 tracert、pathping 操作中就包括了相应请求（类型字段值为8）和应答（类型字段值为0）ICMP报文。过程：一台主机向一个节点发送一个类型字段值为8的ICMP报文，如果途中没有异常（如果没有被路由丢弃，目标不回应ICMP或者传输失败），则目标返回类型字段值为0的ICMP报文，说明这台主机存在。

DHCP协议

DHCP的全称是Dynamic Host Configuration Protocol, 即动态主机配置协议， 它的特点是能够自动设置IP地址，并实行统一的管理。

我们有两种为主机设置IP地址的方式：1.管理员手动设置主机的IP地址 2.通过DHCP自动设置IP地址 

DHCP是一种即插即用的协议（plug-and-play protocol）。实际上，我们在生活中经常享受着DHCP带来的便利：我们有时会携带笔记本电脑或手机到公共场所里，例如图书馆，并且通过WiFi连上一个陌生的子网，但是我们并没有做重新为主机配置IP地址的工作！ 

DHCP服务器的工作流程

• DHCP服务器管理着一个包含一系列IP地址的地址池
• 每当一台新的主机加入时，DHCP服务器就从其当前可用地址池中分配一个任意的地址给它
• 而每当一台主机离开的时候，其IP地址就被回收到地址池中

IP路由协议

IP路由协议是网络协议里面的一个重要组成部分，一般工作在第三层（即网络层），常见的设备是路由器。从A到B网络中路由如何选择：每个路由器都有一张路由表。路由器通过查询分组首部字段的目的地址，通过路由表，获得该分组应该转发的输出端口。路由器由此完成转发功能。后面我们将深入看到路由器的内部，实际上这个查询功能是由每个输入端口完成，每个输入端口都有路由表的影子副本，由此可以实现多个查询并行。

那么路由表是如何配置的呢？这是由网络中的路由选择协议决定。（大致可以分为：静态路由。静态路由由管理员手动添加配置到路由器的路由表中，其优先级最高。动态路由：多台路由器之间通过动态路由协议，协商获取，不同的动态协议获得的路由表表项优先级也不同。）静态路由配置方便，对系统要求低，适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。缺点是不能自动适应网络拓扑的变化，需要人工干预。动态路由协议有自己的路由算法，能够自动适应网络拓扑的变化，适用于具有一定数量三层设备的网络。缺点是配置对用户要求比较高，对系统的要求高于静态路由，并将占用一定的网络资源。

常见的动态路由协议包括RIP、OSPF、IS-IS、IGRP、EIGRP、BGP等。RIP、OSPF、IS-IS、IGRP、EIGRP是内部网关协议(IGP)，适用于单个ISP的统一路由协议的运行，一般由一个ISP运营的网络位于一个AS（自治系统）内，有统一的ASnumber（自治系统号）。BGP是自治系统间的路由协议，是一种外部网关协议，多用于INTERNET上，在不同运营商之间交换路由信息，在某些大型的企业的内部网络里，有时也会用到BGP路由协议。下面为大家介绍各种路由协议的特性。

RIP路由协议  RIP是Routing Information Protocol（路由信息协议）的简称。它是一种较为简单的内部网关协议IGP（Interior GatewayProtocol），主要用于规模较小的网络中，比如校园网以及结构较简单的地区性网络。对于更为复杂的环境和大型网络，一般不使用RIP。RIP是一种基于距离矢量（Distance-Vector）算法的协议，它通过UDP报文进行路由信息的交换，使用的端口号为520。

OSPF路由协议  OSPF（Open Shortest PathFirst）是IETF组织开发的一个基于链路状态的内部网关协议。目前针对IPv4协议使用的是OSPF Version2（RFC2328）；针对IPv6协议使用OSPF Version 3（RFC2740）。

BGP路由协议   BGP是“边界网关协议(Border GatewayProtocol)”的缩写，处理各ISP之间的路由传递。BGP是一种外部网关协议（EGP），与OSPF、RIP等内部网关协议（IGP）不同，其着眼点不在于发现和计算路由，而在于控制路由的传播和选择最佳路由。