趣谈网络协议：第一模块 通信协议综述

第一讲 为什么要学习网络协议？

1. 协议三要素

• 语法
  • 一段内容要符合一定的规则和格式
• 词法
  • 一段内容要代表某种意义
• 顺序

2. 多种协议

• http -> tcp -> ip -> arp
• 路由协议
  • OSFP和BGP

第二讲 网络分层的真实含义是什么？

1. 四个问题

• TCP协议进行三次握手的时候，IP层和MAC层在干什么
  • 所有不能表示出层层封装含义的比喻，都是不恰当的
  • TCP每发送一个消息，IP和MAC层的机制都要运行一遍
• 包经过A-B-C-D的路由，在经过B和C时，从A发出的包中，B的地址放在什么地方？如果放在IP协议中的目标地址，那么到达中转路由时，如何知道目的地？
• HTTP包经不经过二层设备？
  • 经过
• 打开一个电商网站都需要经历那些过程？

2. 多层设备

• 二层设备
  • 只处理MAC
• 三层设备
  • 处理IP

第三讲 ifconfig：最熟悉又陌生的指令

1. 查看电脑IP

• windows
  • ipconfig
• linux
  • ifconfig
  • ip addr
  • 没有命令的主机可以安装net-tools和iproute2

root@test:~## ip addr
1: lo:  mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

2. IP地址类型

网络分类.jpg

类别	IP地址范围	最大主机数	私有IP地址范围
A	0.0.0.0-127.255.255.255	16777214	10.0.0.0-10.255.255.255
B	128.0.0.0-191.255.255.255	65534	172.16.0.0-172.31.255.255
C	192.0.0.0-223.255.255.255	254	192.168.0.0-192.168.255.255

3. CIDR(Classless Inter-Domain Routing，无类型域间路由)

• 示例 10.100.122.2/24
  • 其中24表示32位中前24位为网络号
  • 10.100.122.255是广播地址，所有10.100.122网络中的主机都可以收到
  • 255.255.255.0是子网掩码，转换成2进制，前24位都是1，后8位是0，将它与IP地址做AND操作，得到10.100.122.0，就是该IP的网络号
  • 10.100.122.1 一般为出口地址

4. MAC地址

• 通过ip addr命令
  • link/ether 00:0c:29:61:4d:d5 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
• MAC唯一性

5. 网络设备的状态标识 net_device flags

• • UP: 网卡处于启动状态
  • BROADCAST: 网卡有广播地址，可以发送广播包
  • MULTICAST: 网卡可以发送多播包
  • LOWER_UP: L1是启动的，即网线插着
• mtu 1500
  • 最大传输单元为1500，以太网的默认值
  • MAC层概念
• qdisc pfifo_fast
  • qdisc: queueing discipline, 排队规则
  • 最简单的qdisc是pfifo，即先进先出
  • pfifo_fast稍复杂一点，包含三个波段（band），在每个波段内先进先出
    • 三个band的优先级也不同，band 0最高，band 2 最低
  • 数据包按照服务类型(Type Of Service, TOS)被分到三个波段中， TOS是IP头中的一个字段

第四讲 DHCP和PXE：IP是怎么来的，又是怎么没的

1. 设置ip

使用net-tools
    $ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24
    $ sudo ifconfig eth1 up

使用iproute2
    $ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
    $ sudo ip link set up eth1

2. 包的发送逻辑

1. 首先判断目标IP地址和源IP地址是不是一个网段
   • 如果是同一个网段，使用ARP协议找到目标地址的MAC地址
2. 如果不是一个网段，就把包发给网关

3. DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议)

• 应用层协议，基于UDP，客户端端口68，服务器端口67

1. DHCP Discover

• 网络分类.jpg

• 源地址：0.0.0.0

• 目的地址：255.255.255.255

• 广播包封装了UDP，UDP封装了BOOTP(Bootstrap Protocol, 引导程序协议)

2. DHCP Offer

• 是单播包，MAC地址为DHCP Discover中的客户机的MAC地址

• Offer报文.jpg

• 选择第一个到达的DHCP Offer

• 发送DHCP Request广播包

  • Request报文.jpg

  • 告知接受的DHCP Server，并通知其他server撤销ip的分配

• 由于没有得到server的最终确认，仍然使用0.0.0.0

3. DHCP ACK

• 单播包

• ACK报文.jpg

• DHCP Server在收到DHCP Request的时候，会广播一个DHCP ACK消息包，与客户机达成协议

4. DHCP 流程图

• DHCP流程.jpg

5. IP的收回与续租

• 租期过去50%时，向提供IP的DHCP Server发送DHCP request消息包
• DHCP Server收到请求后发送DHCP ACK包
• 客户机根据ACK包更新TCP/IP参数

6. 预启动执行环境(Pre-boot Execution Environment, PXE)

• 分为客户端和服务器端
  • 由于客户端没有操作系统，只能先放在BIOS里
• DHCP Server样例配置
  • next-server：指向PXE服务器地址

  ddns-update-style interim;
  ignore client-updates;
  allow booting;
  allow bootp;
  subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0
  {
      option routers 192.168.1.1;
      option subnet-mask 255.255.255.0;
      option time-offset -18000;
      default-lease-time 21600;
      max-lease-time 43200;
      range dynamic-bootp 192.168.1.240 192.168.1.250;
      filename "pxelinux.0";
      next-server 192.168.1.180;
  }
  

• PXE客户端启动后，发送DHCP请求，不仅能分配IP，还能得到PXE服务器地址

7. PXE工作过程

• 启动PXE客户端，通过DHCP协议从DHCP Server获取IP地址、PXE服务器地址和启动文件pxelinux.0
• 通过TFTP协议向PXE服务器请求下载启动文件
  • PXE服务器上往往还有TFTP服务器
• 客户端接收到启动文件后，开始执行，该文件指示客户端，向TFTP服务器请求计算机的配置信息pxelinux.cfg。
• TFTP服务器给PXE客户端发送一个配置文件，说明内核在哪里，initramfs在哪里，PXE客户端一次请求这些文件。

• 启动Linux内核

  
  
  PXE 过程