互联网的工作原理
IP地址、域名和URL
IP地址
想一下，如果我们是外卖员，现在我们的手上有一份外卖要送给对应的客户，我们应该怎么把外卖准确的送到对应的客户手上呢？
结果就是通过客户留下的地址，我们从具体的区，再到某个小区，某个单元楼，几楼几号，从而实现将外卖准确的送到对应的客户手上这一目标。
那么，来到网络世界，网络的本质就是数据的大量传输，现在我们的手上有一个数据包，也就是“外卖”，我们想要准确的将它送到我们需要通信的计算机上面，也需要一个类似于“地址”的东西，实现将数据包准确的送到目标计算机的目标。
这个地址就是IP地址。
在1974年，Vint Cerf和Bob Kahn提出了TCP/IP协议的概念，其中IP协议（Internet Protocol）用于标识网络中的设备并实现数据包的传输。
1981年，IPv4协议正式成为互联网的核心协议，由RFC 791定义。IPv4使用32位地址空间，能够提供约43亿个唯一的IP地址。
但是到了1990年代，互联网的爆炸性增长导致了可用IP地址的迅速减少。
为了延缓IPV4地址枯竭的问题，出现了NAT技术，也就是网络地址转换技术,NAT技术允许多个设备通过一个公有IP地址访问互联网，有效地减少了公有IP地址的需求。
但是IPV4地址仍然面临着枯竭问题，为应对该问题，1990年代初开始了对IPv6的研究。IPv6使用128位地址空间，能够提供几乎无限数量的唯一地址，称能够为地球上的每一粒沙子提供一个IP。
1998年，IPv6被RFC 2460正式定义为互联网协议的新版本。IPv6不仅扩展了地址空间，还引入了一些改进，如简化的报头、更好的支持多播和自动配置等。
尽管IPv6提供了更大的地址空间，但由于现有的IPv4基础设施和软件广泛依赖于IPv4，IPv6的普及相对缓慢。为此，IPv4与IPv6共存并逐步过渡成为现实，许多网络开始支持双栈（Dual Stack），即同时运行IPv4和IPv6。
2011年，全球IPv4地址的最后一批被分配完毕，进一步推动了IPv6的部署。许多国家和地区制定了推广IPv6的计划，网络设备制造商、操作系统开发商和互联网服务提供商（ISP）也逐渐加大对IPv6的支持。
IP地址的作用与功能
- 唯一标识设备：IP地址是网络中每台设备的唯一标识，用于路由器、交换机等网络设备之间的数据传输。
- 网络通信基础：数据包的传输依赖于IP地址来确定数据的发送方和接收方。
- 分类管理：通过分配不同的IP地址范围，可以划分不同的网络区域（比如局域网、广域网），并进行合理的网络管理。
公有IP与私有IP
公有IP地址：在互联网上唯一的IP地址，由互联网服务提供商分配。
私有IP地址：用于局域网内部的IP地址，不会在公共互联网上使用。（如192.168.x.x)。
我们平常使用ipconfig查询到的IPV4地址，192.168.x.x格式的那种，就是路由器在这个局域网中分配的私有地址，如果ping这个设备的话，只有在同一局域网下的设备能够成功，互联网上的设备无法通过这个IP来与我们的设备取得联系（除非经过特殊配置，比如端口映射和VPN）。
当我们与互联网产生数据传输时，路由器就会通过NAT技术将私有IP转换为一个公有的IP地址。
域名
在早期的互联网中，是直接使用IP地址来进行设备之间的通信的，但是IP地址是一连串的数字，对于机器来说比较好处理，但是对于人脑来说就不是那么友好了，特别是随着互联网发展，网站和服务数量急剧增加，记住多个IP越发困难
为解决这一问题，人们引入了域名这一概念。
为了简化用户访问网络资源的过程，域名系统（Domain Name System，DNS）应运而生。域名是IP地址的一个人类可读的替代方式，是一种通过名字而不是数字来标识和访问互联网上资源的方法。
通过这种方法，是的互联网更加易于识别和记忆。
就像我们今天如果想要访问百度，只需要在浏览器地址栏中输入www.baidu.com即可而不是输入一长串的数字。
这一功能的实现依靠着域名系统（DNS）。
DNS的核心功能是将用户输入的域名解析为对应的IP地址，从而实现资源的定位和访问。
DNS采用分布式数据库系统，全球的DNS服务器协同工作，负责管理和解析数以亿计的域名。这种架构使得域名解析过程既高效又可靠。
域名具有层次结构，分为顶级域名（TLD），如.com、.org，和二级域名，如example.com。这种分层结构进一步增强了域名的管理和组织能力。
现代互联网的域名管理：从简单到复杂
为了管理和规范全球域名系统，1998年，互联网名称与数字地址分配机构（ICANN）成立。ICANN负责域名系统的总体管理，包括顶级域名的分配、DNS根服务器的管理等。
最初的域名系统仅有少数几个顶级域名（如
.com、.org），但随着互联网的扩展，新的顶级域名不断被引入，如国家代码顶级域名（ccTLD，如.cn）、新通用顶级域名（gTLD，如.xyz）等。随着互联网的发展，域名系统也面临各种安全挑战，如域名劫持、DNS欺骗等。为此，DNS安全扩展（DNSSEC）等技术被引入，以提高域名系统的安全性。
URL（统一资源定位符）
URL（Uniform Resource Locator）是用于标识互联网上某一资源的字符串，是访问网络资源的具体路径。
通过域名和IP地址，我们能够准确的找到目标计算机，但是如果我们想要获取文件，但目标计算机上的文件纷繁复杂，我们怎么找到我们需要的文件呢？
所以URL就出现了：
在互联网的早期，网络主要用于学术和军事，通信依赖于IP地址和简单的协议。网络资源的访问和共享没有统一的标准，主要通过特定的程序和命令行接口进行。
但是随着互联网规模增大，网络上可用的资源类型（比如文件、邮件、网页）越来越多，访问资源的方式也变得复杂起来，不同的服务使用各自的访问路径和方法，使得用户获取资源难度大大增加。
1989年，蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）提出了万维网（World Wide Web）的概念，并开发了第一个网页浏览器和网页服务器。他的目标是通过超文本技术将不同的资源互联，并简化信息的访问。
1991年，蒂姆·伯纳斯-李提出了URL的概念，作为定位和访问万维网上资源的标准化方法。URL使得各种资源（如网页、文件、图片）可以通过统一的格式来访问。URL的设计不仅适用于网页资源，也能够扩展到其他互联网服务，如FTP和电子邮件。
URL的组成：
- 协议（Protocol）：如HTTP、HTTPS、FTP等，指明如何访问资源（如
https://）。- 域名或IP地址：指定要访问的主机（如
www.example.com）。- 路径（Path）：主机上资源的具体位置（如
/path/to/resource）。- 端口（Port）：可选项，用于指定访问服务的端口号（如
:80）。- 查询参数（Query Parameters）：可选项，用于传递请求参数（如
?id=123&sort=asc）。- 片段标识符（Fragment Identifier）：可选项，用于指向页面内部的特定位置（如
#section1）。
1994年，URL被正式标准化为RFC 1738，这一标准定义了URL的语法和使用方法，确保了不同的浏览器和应用程序能够一致地处理URL。标准化的URL成为了万维网的基础，使得网络资源可以通过统一的方式进行访问。
URL、HTTP协议和HTML语言三者的结合，推动了万维网的快速普及。URL提供了一个用户友好的资源定位方式，HTTP协议负责资源的传输，HTML则是资源的展示格式。
URL的扩展与演进
- 动态内容与查询参数：随着Web应用的发展，URL被扩展用于动态内容的访问。通过在URL中加入查询参数（如
?id=123），服务器可以根据请求生成动态内容。这种机制使得Web应用可以处理复杂的用户交互，如搜索引擎查询、在线购物车等。 - SEO与友好URL：随着搜索引擎的兴起，URL的设计也受到了SEO（搜索引擎优化）的影响。开发者开始设计“友好URL”，就是使用清晰、简洁而且包含关键词的URL（比如
/products/laptop），用来提高网页在搜索引擎中的排名。 - HTTPS的普及：随着安全性需求的增加，HTTPS（HTTP Secure）逐渐取代HTTP成为主流。HTTPS在URL中使用
https://开头，表示使用了加密的HTTP协议，可以更好的保护数据传输的安全性。
现代URL
- URL短链接与重定向：为了应对社交媒体等场景中的字符限制，URL短链接服务（如bit.ly）应运而生。这些服务通过生成短URL，重定向用户到原始长URL，从而节省字符数。
- 多样化的URL形式：现代Web开发中，URL被用来处理各种复杂的交互场景，如RESTful API的路径参数、OAuth的回调URL、深度链接等。这些形式进一步扩展了URL的功能和应用范围。
- 国际化域名（IDN）：为了支持全球不同语言和字符集的使用，国际化域名（IDN）被引入，使得URL可以包含非ASCII字符，如中文、阿拉伯文等。
数据是如何在网络上传输的？（基本路由与交换）
在明确了目标之后，怎么找到一条最优的路径去到目标计算机呢？难道挨个计算机去寻找吗？显然不太现实。
数据传输的基本概念
在网络中，数据从一个设备传输到另一个设备，必须经过一系列的步骤。这就好比外卖在出发前需要包装、标注地址，并选择送达路线。
首先要进行数据封装，在计算机上发送数据时，无论是访问一个网站还是发一封邮件，都要先将数据封装为数据包，每个数据包都包含了一些关键地址，包括目标地址和发件人的地址，类似于包裹上的收件人地址和寄件人地址。
在封装的过程中，数据会通过多个协议层次，每层协议会添加一些自己的信息：
- 应用层：处理特定的网络应用（比如浏览网页的HTTP协议）
- 传输层：确保数据可靠传输，并有可能将数据分割为多个部分（比如TCP协议）
- 网络层：确定数据的路径（比如IP协议）
- 链路层：负责数据在局域网内的传输（比如以太网协议）
数据分段：如果一次传输的数据量太大，传输层协议会将数据分成多个小段进行封装和传输。
路由
前面已经讲数据打包好了，接下来就需要寻找一个合适的路线到达目标计算机，这就需要路由的作用。
路由是数据包从源设备（如你的电脑）通过一系列网络节点（如路由器）到达目标设备的过程。路由器就像是网络中的交通指挥员，它们根据预设的规则决定数据包的最佳传输路径。
每个路由器都有一个“路由表”，这个表记录了到达各个目的地的最佳路径。每当一个数据包到达路由器时，路由器会检查这个数据包的“目标地址”（即目标IP地址），然后查阅路由表，决定将数据包发送到哪个下一个网络节点。
为了让“路由表”始终保持最新状态，路由器之间会使用路由协议来交换信息，这就像外卖员之间会交流最新的交通情况，选择最快的路线。
常见的路由协议：
RIP（Routing Information Protocol）：适用于小型网络，基于跳数选择路径。
OSPF（Open Shortest Path First）：适用于大型网络，基于链路状态选择最优路径。
BGP（Border Gateway Protocol）：用于互联网规模的路由选择，决定跨国或跨网络的最佳路径。
交换
如果说路由器负责规划长途路线，那么**交换机（Switch）**就像是小区内的门卫，负责把外卖送到具体的楼栋或住户。（当然我从来没有听说过哪里的门卫会这样干）
交换是指数据包在同一个局域网（LAN）内的传输过程。交换机是用来在局域网内转发数据包的设备，它们通过读取数据包的目标**MAC地址（硬件地址）**来决定将数据发送到哪个端口，从而将数据包送到正确的目标设备。
每个交换机都有一个MAC地址表，记录了每个连接设备的MAC地址和相应的端口号。当一个数据包到达交换机时，交换机会查找MAC地址表，找到与目标MAC地址对应的端口，然后将数据包发送到该端口。
当交换机接收到一个目标MAC地址不在其表中的数据包时，会将数据包广播给所有连接的设备，直到找到目标设备并更新MAC地址表，这就像外卖员第一次进小区时询问哪栋楼是正确的，然后记住路线。
交换机交换方式：
存储转发：交换机会先接收完整的数据包，检查是否无误，然后再进行转发，确保数据准确性。
直通转发：交换机在接收到数据包的目标地址部分后，立即开始转发，速度较快但可能会传递有误的数据。
总结
最终，整个数据传输过程可以简化为以下步骤：
- 数据封装：源设备生成数据，并通过操作系统的网络协议栈进行封装，形成数据包，包含目标IP地址和MAC地址。
- 局域网内交换：数据包通过局域网内的交换机，根据MAC地址转发到网络出口，通常是路由器。
- 路由路径选择：出口路由器根据目标IP地址，查找路由表，决定数据包的下一跳，并将数据包发往下一个路由器。
- 跨网络传输：数据包经过多个路由器，在不同的网络（如局域网、广域网、互联网）之间传递，逐步接近目标网络。
- 目标网络内交换：数据包到达目标网络，交换机根据MAC地址将其发送到目标设备的端口。
- 目标设备接收：目标设备接收到数据包后，逐层解封装，最终获取到原始数据并进行处理。