網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
01 | IPv4 協(xié)議：路由和尋址的區(qū)別是什么
如果說傳輸層協(xié)議，除了 TCP/UDP，我們還可以有其他選擇，比如 Google 開發(fā)的 QUIC 協(xié)議，幫助在傳輸層支持 HTTP 3.0 傳輸。但是在網(wǎng)絡(luò)層，IP 協(xié)議幾乎一統(tǒng)天下。IP 協(xié)議目前主要有兩個(gè)版本 IPv4 和 IPv6。
1.1 | 什么是IP協(xié)議
IP 協(xié)議（Internet Protocol）是一個(gè)處于壟斷地位的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 IPv4 就是 IP 協(xié)議的第 4 個(gè)版本，是目前互聯(lián)網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IPv4 為傳輸層提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底層數(shù)據(jù)鏈路層的支持。
IP 協(xié)議并不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠性。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)被切分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)封包。IP 協(xié)議上層的傳輸層協(xié)議會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次拆分，IP 協(xié)議還會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行拆分。進(jìn)行兩次拆分是為了適配底層的設(shè)備。
再復(fù)習(xí)一下可靠性，可靠性保證數(shù)據(jù)無損地到達(dá)目的地?？煽啃允?IP 協(xié)議上方的 Host-To-Host 協(xié)議保證的，比如 TCP 協(xié)議通過應(yīng)答機(jī)制、窗口等保證數(shù)據(jù)的可靠性。
IP 協(xié)議自身不能保證可靠性。比如 IP 協(xié)議可能會(huì)遇到下面這幾個(gè)問題：
- 封包損壞（數(shù)據(jù)傳輸過程中被損壞）；
- 丟包（數(shù)據(jù)發(fā)送過程中丟失）；
- 重發(fā)（數(shù)據(jù)被重發(fā)，比如中間設(shè)備通過 2 個(gè)路徑傳遞數(shù)據(jù)）；
- 亂序（到達(dá)目的地時(shí)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)不一致）。
但是 IP 協(xié)議并不會(huì)去處理這些問題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)層只專注解決網(wǎng)絡(luò)層的問題， 而且不同特性的應(yīng)用在不同場景下需要解決的問題不一樣。對于網(wǎng)絡(luò)層來說，這里主要有 3 個(gè)問題要解決：
- 延遲
- 吞吐量
- 丟包率
這三個(gè)是魚和熊掌不能兼得
另外，IP 協(xié)議目前主要有兩種架構(gòu)，一種是 IPv4，是目前應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議；另一種是 IPv6，目前世界各地正在積極地部署 IPv6。
1.2 | IP協(xié)議的工作原理
IP 協(xié)議接收 IP 協(xié)議上方的 Host-To-Host 協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行拆分，這個(gè)能力叫作分片（Fragmentation）。然后 IP 協(xié)議為每個(gè)片段（Fragment）增加一個(gè) IP 頭（Header），組成一個(gè)IP 封包（Datagram）。之后，IP 協(xié)議調(diào)用底層的局域網(wǎng)（數(shù)據(jù)鏈路層）傳送數(shù)據(jù)。最后 IP 協(xié)議通過尋址和路由能力最終把封包送達(dá)目的地。
1.2.1 | 分片（Fragmentation）
分片就是把數(shù)據(jù)切分成片。 IP 協(xié)議通過它下層的局域網(wǎng)（鏈路層）協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，因此需要適配底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。
數(shù)據(jù)太大通常就不適合底層網(wǎng)絡(luò)傳輸，這就需要把大的數(shù)據(jù)切片。 當(dāng)然也可能選擇不切片，IP 協(xié)議提供了一個(gè)能力就是把封包標(biāo)記為不切片，當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)看到不切片的封包，又沒有能力傳輸?shù)臅r(shí)候，就會(huì)丟棄這個(gè)封包。要注意，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中往往存在多條路徑，一條路徑斷了，說不定其他路徑可以連通。
1.2.2 | 增加協(xié)議頭（IP Header）
切片完成之后，IP 協(xié)議會(huì)為每個(gè)切片（數(shù)據(jù)封包 Datagram）增加一個(gè)協(xié)議頭。一個(gè) IPv4 的協(xié)議頭看上去就是如下圖所示的樣子：
其中分成 4 個(gè)部分。
- 最重要的是原地址和目標(biāo)地址。IPv4 的地址是 4 組 8 位的數(shù)字，總共是 32 位。具體地址的作用我們在下面的“尋址部分”介紹。
- Type Of Service 服務(wù)的類型，是為了響應(yīng)不同的用戶訴求，用來選擇延遲、吞吐量和丟包率之間的關(guān)系。關(guān)于這塊知識，本講后半部分就會(huì)分析。
- IHL（Internet Header Length）用來描述 IP 協(xié)議頭的大小。所以 IP 協(xié)議頭的大小是可變的。IHL 只有 4 位，最大值 1111 = 15。最大是 15 個(gè)雙字（15*4 字節(jié) = 60 字節(jié)）。
- Total Length 定義報(bào)文（封包 Datagram）的長度。
- Identification（報(bào)文的 ID），發(fā)送方分配，代表順序。
- Fragment offset 描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。
- Time To Live 描述封包存活的時(shí)間。因此每個(gè) IP 封包發(fā)送出去后，就開始銷毀倒計(jì)時(shí)。如果倒計(jì)時(shí)為 0，就會(huì)銷毀。比如中間的路由器看到一個(gè) TTL 為 0 的封包，就直接丟棄。
- Protocol 是描述上層的協(xié)議，比如 TCP = 6，UDP = 17。
- Options 代表可選項(xiàng)。
- Checksum 用來檢驗(yàn)封包的正確性。如果 Checksum 對不上，就需要選擇丟棄這個(gè)封包。
1.3 | 延遲、吞吐量、丟包率
Pv4 協(xié)議中提供了一個(gè)叫作 Type of Service（服務(wù)類型）的字段。這個(gè)字段是為了在延遲、吞吐量和丟包率三者間選擇。
1.3.1 | 延遲（latency）
延遲指的是 1 bit 的數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端傳送到另一個(gè)終端需要的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間包括在發(fā)送端準(zhǔn)備發(fā)送的時(shí)間、排隊(duì)發(fā)送的時(shí)間、發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間等。
1.3.2 | 吞吐量（Throughput）
吞吐量指單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量。比如用 bit/s 作為單位，就是 bps。
吞吐量和延遲沒有聯(lián)系，比如延遲很高的網(wǎng)絡(luò)，有可能吞吐量很高。可以類比成水管很大流速很慢，對比水管很細(xì)流速很快，這兩種情況，最終流量可以是相等的。
1.3.3 | 丟包率（Packet loss）
丟包率指發(fā)送出去的封包沒有到達(dá)目的地的比例。 在最大流速確定的網(wǎng)絡(luò)中，丟包率會(huì)直接影響吞吐量。
我們的網(wǎng)絡(luò)有時(shí)候需要低延遲，比如玩一款 RTS 游戲或者 Moba 游戲，這種時(shí)候延遲非常重要。另外如果把延遲看作一個(gè)平均指標(biāo)，丟包也會(huì)影響延遲——一個(gè)包丟了，需要重發(fā)。而有的應(yīng)用需要高吞吐量，延遲不是很重要，比如說網(wǎng)盤下載文件。大部分應(yīng)用期望丟包不能太嚴(yán)重，比如語音電話，少量丟包還能聽清，大量丟包就麻煩了，根本聽不清對方說什么。嚴(yán)格希望不丟包的應(yīng)用比較少，只有極特殊的網(wǎng)絡(luò)控制管理場景，才需要在互聯(lián)網(wǎng)層要求不丟包。
當(dāng)然這三個(gè)條件，通常不能同時(shí)滿足。如果同時(shí)追求延遲、吞吐量、丟包率，那么對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求就會(huì)非常高，說白了就會(huì)非常貴。因此 IP 協(xié)議頭中的 Type of Service 字段里，有以下 4 種主要的類型可以選擇：
- 低延遲
- 高吞吐量
- 低丟包率
- 低成本
1.4 | 尋址（Addressing）
地址想要表達(dá)的是一個(gè)東西在哪里。尋址要做的就是：給一個(gè)地址，然后找到這個(gè)東西。IPv4 協(xié)議的尋址過程是逐級尋址。
1.4.1 | IPv4地址
IPv4 地址是 4 個(gè) 8 位（Octet）排列而成，總共可以編址 43 億個(gè)地址。
比如 103.16.3.1 就是一個(gè)合法的 Ipv4 地址。4 組數(shù)字用.分開，是為了讓人可讀，實(shí)際上在內(nèi)存和傳輸過程中，就是直接用 32 位。
你可以觀察一下103.16.3.1的二進(jìn)制，如下圖所示：
1.4.2 | 尋址過程
尋址就是如何根據(jù) IP 地址找到設(shè)備。
因?yàn)?IPv4 的世界中，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)樹狀模型。頂層有多個(gè)平行的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有自己的網(wǎng)絡(luò)號。然后頂層網(wǎng)絡(luò)下方又有多個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)下方還有子網(wǎng)，最后才是設(shè)備。
IP 協(xié)議的尋址過程需要逐級找到網(wǎng)絡(luò)，最后定位設(shè)備。下面具體分析下這個(gè)過程。
步驟一：找到頂層網(wǎng)絡(luò)
比如103.16.3.1最頂層的網(wǎng)絡(luò)號可以和255.0.0.0（子網(wǎng)掩碼）做位與運(yùn)算得到
103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0
因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的頂層網(wǎng)絡(luò)。255.0.0.0.稱作子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼的作用就是幫助根據(jù) IP 地址找到對應(yīng)子網(wǎng)。子網(wǎng)掩碼是很多個(gè)1接著很多個(gè)0，和 IP 地址一起使用。
步驟 2：找到下一層網(wǎng)絡(luò)
接下來要找到下一級網(wǎng)絡(luò)，就需要用 IP 地址和下一級的子網(wǎng)掩碼做位與運(yùn)算。
103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0
其中103.16.0.0就是下一級的網(wǎng)絡(luò)號
步驟 3：找到再下一級網(wǎng)絡(luò)
接下來使用255.255.255.0子網(wǎng)掩碼找到下一級網(wǎng)絡(luò)是103.16.3.0。
步驟 4：定位設(shè)備
設(shè)備就在子網(wǎng)103.16.3.0中，最終找到的設(shè)備號是1。
當(dāng)然子網(wǎng)掩碼也不一定都是255，比如這個(gè)子網(wǎng)掩碼255.240.0.0也是可以的。但通常我們把 IPv4 的網(wǎng)絡(luò)分成這樣 4 層。
1.5 | 路由（Routing）
在尋址過程中，數(shù)據(jù)總是存于某個(gè)局域網(wǎng)中。如果目的地在局域網(wǎng)中，就可以直接定位到設(shè)備了。如果目的地不在局域網(wǎng)中，這個(gè)時(shí)候，就需再去往其他網(wǎng)絡(luò)。
由于網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)間是網(wǎng)關(guān)在連接，因此如果目的地 IP 不在局域網(wǎng)中，就需要為 IP 封包選擇通往下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路徑，其實(shí)就是選擇其中一個(gè)網(wǎng)關(guān)。你可能會(huì)問：網(wǎng)關(guān)有多個(gè)嗎？如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接壤，那自然需要多個(gè)網(wǎng)關(guān)了。下圖中，路由器在選擇 IP 封包下一個(gè)應(yīng)該是去往哪個(gè) Gateway？
假如，我們要為 IP 地址 14.215.177.38 尋址，當(dāng)前路由器所在的網(wǎng)絡(luò)的編號是16.0.0.0。那么我們就需要知道去往 14.0.0.0 網(wǎng)絡(luò)的 Gateway IP 地址。
如果你在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中用route查看路由表，可能可以看到一條下面這樣的記錄。
- Destination：14.0.0.0
- Gateway：16.12.1.100
- Mask：255.0.0.0
- Iface：16.12.1.1
這條記錄就說明如果你要去往 14.0.0.0 網(wǎng)絡(luò)，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 進(jìn)行位運(yùn)算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的網(wǎng)卡（IFace）是 16.12.1.1。
當(dāng)封包去向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，會(huì)進(jìn)入新的路由節(jié)點(diǎn)，然后會(huì)繼續(xù)上述路由過程，直到最終定位到設(shè)備。
1.6 | 總結(jié)
學(xué)習(xí)了 IP 協(xié)議和 IP 協(xié)議的工作原理。
首先 IP 協(xié)議會(huì)進(jìn)行分片，將上游數(shù)據(jù)拆成一個(gè)個(gè)的封包（Datagram），然后為封包增加 IP 頭部。封包發(fā)送出去后，就開始了尋址過程。
尋址就是找到 IP 地址對應(yīng)的設(shè)備。在局域網(wǎng)內(nèi)，如果找不到設(shè)備，就需要路由。
路由就是找到數(shù)據(jù)應(yīng)該往哪里發(fā)送。最后通過層層路由定位到具體的設(shè)備。
最后，路由和尋址的區(qū)別是什么？
【解析】尋址（Addressing）就是通過地址找設(shè)備。和現(xiàn)實(shí)生活中的尋址是一樣的，比如根據(jù)地址找到一個(gè)公寓。在 IPv4 協(xié)議中，尋址找到的是一個(gè)設(shè)備所在的位置。
路由（Routing）本質(zhì)是路徑的選擇。就好像知道地址，但是到了每個(gè)十字路口，還需要選擇具體的路徑。
所以，要做路由，就必須能夠理解地址，也就是需要借助尋址的能力。要通過尋址找到最終的設(shè)備，又要借助路由在每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路。因此，路由和尋址，是相輔相成的關(guān)系。
02 | IPv6協(xié)議
IPv4 用 32 位整數(shù)描述地址，最多只能支持 43 億設(shè)備，顯然是不夠用的，這也被稱作 IP 地址耗盡問題。
為了解決這個(gè)問題，有一種可行的方法是拆分子網(wǎng)。拆分子網(wǎng)，會(huì)帶來很多問題，比如說內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，需要網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（NAT 協(xié)議），增加傳輸成本。再比如說，多級網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加數(shù)據(jù)的路由和傳輸鏈路，降低網(wǎng)絡(luò)的速度。理想的狀態(tài)當(dāng)然是所有設(shè)備在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，互相可以通過地址訪問。
為了解決這個(gè)問題，1998 年互聯(lián)網(wǎng)工程工作小組推出了全新款的 IP 協(xié)議——IPv6 協(xié)議。
2.1 | IPv4和IPv6相似點(diǎn)
IPv6 的工作原理和 IPv4 類似，分成切片（Segmentation）、增加封包頭、路由（尋址）這樣幾個(gè)階段去工作。
IPv6 同樣接收上方主機(jī)到主機(jī)（Host-to-Host）協(xié)議傳遞來的數(shù)據(jù)，比如一個(gè) TCP 段（Segment），然后將 TCP 段再次切片做成一個(gè)個(gè)的 IPv6 封包（Datagram or Packet），再調(diào)用底層局域網(wǎng)能力（數(shù)據(jù)鏈路層）傳輸數(shù)據(jù)。
作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的 IPv6，最核心的能力是確保數(shù)據(jù)可以從發(fā)送主機(jī)到達(dá)接收主機(jī)。因此，和 IPv4 類似，IPv6同樣需要定義地址的格式，以及路由算法如何工作。
2.2 | IPv6地址
IPv4 的地址是 4 個(gè) 8 位（octet），總共 32 位。 IPv6 的地址是 8 個(gè) 16 位（hextet），總共 128 位。從這個(gè)設(shè)計(jì)來看，IPv6 可以支持的地址數(shù)量是 IPv4 的很多倍。
格式上，IPv4 的地址用.分割，如103.28.7.35。每一個(gè)是 8 位，用 0-255 的數(shù)字表示。
IPv6 的地址用:分割，如0123:4567:89ab:cdef:0123:4567:89ab:cdef，總共 8 個(gè) 16 位的數(shù)字，通常用 16 進(jìn)制表示。
- Hexadecimal notation：十六進(jìn)制表示
- Quartet：16 位
- Most significant：最高有效位
- Binary notation：二進(jìn)制表示
::只能出現(xiàn)一次，相當(dāng)于省略了若干組0000。比如說1111::2222相當(dāng)于中間省略了 6 組0000。為什么不能出現(xiàn)兩個(gè)::呢？因?yàn)槿绻袃蓚€(gè)::，就會(huì)對省略的0000的位置產(chǎn)生歧義。比如說1111::2222::3333，你就不知道究竟0000在1111::2222和2222::3333是怎么分布的。
2.3 | IPv6的尋址
和 IPv4 相同，尋址的目的是找到設(shè)備，以及規(guī)劃到設(shè)備途經(jīng)的路徑。和 IPv4 相同，IPv6尋址最核心的內(nèi)容就是要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分。IPv6 地址很充裕，因此對網(wǎng)絡(luò)的劃分和 IPv4 有很顯著的差異。
IPv6 的尋址分成了幾種類型：
- 全局單播尋址（和 IPv4 地址作用差不多，在互聯(lián)網(wǎng)中通過地址查找一個(gè)設(shè)備，簡單來說，單播就是 1 對 1）；
- 本地單播（類似 IPv4 里的一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，要求地址必須以fe80開頭，類似我們 IPv4 中127開頭的地址）；
- 分組多播（Group Multicast），類似今天我們說的廣播，將消息發(fā)送給多個(gè)接收者；
- 任意播（Anycast），這個(gè)方式比較特殊，接下來我們會(huì)詳細(xì)講解。
2.3.1 | 全局單播
全局單播，就是將消息從一個(gè)設(shè)備傳到另一個(gè)設(shè)備，這和 IPv4 發(fā)送/接收消息大同小異。而全局單播地址，目標(biāo)就是定位網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，這個(gè)地址和 IPv4 的地址作用相同，只不過格式略有差異。總的來說，IPv6 地址太多，因此不再需要子網(wǎng)掩碼，而是直接將 IPv6 的地址分區(qū)即可。
在實(shí)現(xiàn)全局單播時(shí)，IPv6 地址通常分成 3 個(gè)部分：
- 站點(diǎn)前綴（Site Prefix）48bit，一般是由 ISP（Internet Service Providor，運(yùn)營商）或者RIR（Regional Internet Registry， 地區(qū)性互聯(lián)網(wǎng)注冊機(jī)構(gòu)），RIR 將 IP 地址分配給運(yùn)營商；
- 子網(wǎng)號（Subnet ID），16bit，用于站點(diǎn)內(nèi)部區(qū)分子網(wǎng)；
- 接口號（Interface ID）， 64bit，用于站點(diǎn)內(nèi)部區(qū)分設(shè)備。
因此 IPv6 也是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，站點(diǎn)前綴需要一定資質(zhì)，子網(wǎng)號和接口號內(nèi)部定義。IPv6 的尋址過程就是先通過站點(diǎn)前綴找到站點(diǎn)，然后追蹤子網(wǎng)，再找到接口（也就是設(shè)備的網(wǎng)卡）。
從上面全局單播的分區(qū)，我們可以看出，IPv6 分給站點(diǎn)的地址非常多。一個(gè)站點(diǎn)，有 16bit 的子網(wǎng)，相當(dāng)于 65535 個(gè)子網(wǎng)；每個(gè)子網(wǎng)中，還可以用 64 位整數(shù)表示設(shè)備。
2.3.2 | 本地單播
在局域網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備到設(shè)備的通信，就是本地單播。IPv6 的本地單播地址組成如下圖所示
這種協(xié)議比較簡單，本地單播地址必須以fe80開頭，后面 64 位的 0，然后接上 54 位的設(shè)備編號。上圖中的 Interface 可以理解成網(wǎng)絡(luò)接口，其實(shí)就是網(wǎng)卡。
2.3.3 | 分組多播
所謂廣播，就是將消息同時(shí)發(fā)送給多個(gè)接收者。
IPv6 中設(shè)計(jì)了分組多播，來實(shí)現(xiàn)廣播的能力。當(dāng) IP 地址以 8 個(gè) 1 開頭，也就是ff00開頭，后面會(huì)跟上一個(gè)分組的編號時(shí)，就是在進(jìn)行分組多播。
這個(gè)時(shí)候，我們需要一個(gè)廣播設(shè)備，在這個(gè)設(shè)備中已經(jīng)定義了這些分組編號，并且擁有分組下所有設(shè)備的清單，這個(gè)廣播設(shè)備會(huì)幫助我們將消息發(fā)送給對應(yīng)分組下的所有設(shè)備。
2.3.4 | 任意播（Anycast）
任意播，本質(zhì)是將消息發(fā)送給多個(gè)接收方，并選擇一條最優(yōu)的路徑。
比如說在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)授時(shí)服務(wù)，這些授時(shí)服務(wù)都共享了一個(gè)任播地址。當(dāng)一個(gè)客戶端想要獲取時(shí)間，就可以將請求發(fā)送到這個(gè)任播地址?？蛻舳说恼埱髷U(kuò)散出去后，可能會(huì)找到授時(shí)服務(wù)中的一個(gè)或者多個(gè)，但是距離最近的往往會(huì)先被發(fā)現(xiàn)。這個(gè)時(shí)候，客戶端就使用它第一次收到的授時(shí)信息修正自己的時(shí)間。
2.4 | IPv6 和 IPv4 的兼容
目前 IPv6 還沒有完全普及，大部分知名的網(wǎng)站都是同時(shí)支持 IPv6 和 IPv4。這個(gè)時(shí)候我們可以分成 2 種情況討論：
- 一個(gè) IPv4 的網(wǎng)絡(luò)和一個(gè) IPv6 的網(wǎng)絡(luò)通信；
- 一個(gè) IPv6 的網(wǎng)絡(luò)和一個(gè) IPv6 的網(wǎng)絡(luò)通信，但是中間需要經(jīng)過一個(gè) IPv4 的網(wǎng)絡(luò)。
情況 1：IPv4 網(wǎng)絡(luò)和 IPv6 網(wǎng)絡(luò)通信
例如一個(gè) IPv6 的客戶端，想要訪問 IPv4 的服務(wù)器
- 客戶端通過 DNS64 服務(wù)器查詢 AAAA 記錄。DNS64 是國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提供的一種解決 IPv4 和 IPv6 兼容問題的 DNS 服務(wù)。這個(gè) DNS 查詢服務(wù)會(huì)把 IPv4 地址和 IPv6 地址同時(shí)返回。
- DNS64 服務(wù)器返回含 IPv4 地址的 AAAA 記錄。
- 客戶端將對應(yīng)的 IPv4 地址請求發(fā)送給一個(gè) NAT64 路由器
- 由這個(gè) NAT64 路由器將 IPv6 地址轉(zhuǎn)換為 IPv4 地址，從而訪問 IPv4 網(wǎng)絡(luò)，并收集結(jié)果。
- 消息返回到客戶端。
情況 2：兩個(gè) IPv6 網(wǎng)絡(luò)被 IPv4 隔離
這種情況在普及 IPv6 的過程中比較常見，IPv6 的網(wǎng)絡(luò)一開始是一個(gè)個(gè)孤島，IPv6 網(wǎng)絡(luò)需要通信，就需要一些特別的手段。
不知道你有沒有聯(lián)想到坐火車穿越隧道的感覺，連接兩個(gè)孤島 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)就是在 IPv4 網(wǎng)絡(luò)中建立一條隧道。
隧道的本質(zhì)就是在兩個(gè) IPv6 的網(wǎng)絡(luò)出口網(wǎng)關(guān)處，實(shí)現(xiàn)一段地址轉(zhuǎn)換的程序。
2.5 | 總結(jié)
總結(jié)下，IPv6 解決的是地址耗盡的問題。因?yàn)榻鉀Q了地址耗盡的問題，所以很多其他問題也得到了解決，比如說減少了子網(wǎng)，更小的封包頭部體積，最終提升了性能等。
最后，Tunnel技術(shù)是什么？
【解析】Tunnel 就是隧道，這和現(xiàn)實(shí)中的隧道是很相似的。隧道不是只有一輛車通過，而是每天都有大量的車輛來來往往。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用隧道連接，位于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信，都可以使用這個(gè)隧道。隧道是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間用程序定義的一種通道。具體來說，如果兩個(gè) IPv6 網(wǎng)絡(luò)被 IPv4 分隔開，那么兩個(gè) IPv6 網(wǎng)絡(luò)的出口處（和 IPv4 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)處）就可以用程序（或硬件）實(shí)現(xiàn)一個(gè)隧道，方便兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的通信。
03 | 局域網(wǎng)：NAT工作原理
之前在討論廣域網(wǎng)的設(shè)計(jì)，今天到微觀層面，看看局域網(wǎng)是如何工作的。
IPv4 的地址不夠，因此需要設(shè)計(jì)子網(wǎng)。當(dāng)一個(gè)公司申請得到一個(gè)公網(wǎng) IP 后，會(huì)在自己的公司內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)局域網(wǎng)。這個(gè)局域網(wǎng)所有設(shè)備的 IP 地址，通常會(huì)以 192.168 開頭。這個(gè)時(shí)候，假設(shè)你的職工小明，上班時(shí)間玩王者榮耀。當(dāng)他用 UDP 協(xié)議向王者榮耀的服務(wù)器發(fā)送信息時(shí)，消息的源 IP 地址是一個(gè)內(nèi)網(wǎng) IP 地址，而王者榮耀的服務(wù)，是一個(gè)外網(wǎng) IP 地址。
數(shù)據(jù)到王者榮耀服務(wù)器可以通過尋址和路由找到目的地，但是數(shù)據(jù)從王者榮耀服務(wù)器回來的時(shí)候，王者榮耀服務(wù)器如何知道192.168開頭的地址應(yīng)該如何尋址呢？
要想回答這個(gè)問題，就涉及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（NAT 協(xié)議）
3.1 | 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)
對一個(gè)組織、機(jī)構(gòu)、家庭來說，我們通常把內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)稱為局域網(wǎng)，外部網(wǎng)絡(luò)就叫作外網(wǎng)。
下圖是一個(gè)公司多個(gè)部門的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
可以看到外網(wǎng)通過路由器接入整個(gè)公司的局域網(wǎng)，和路由器關(guān)聯(lián)的是三臺交換機(jī)，代表公司的三個(gè)部門。交換機(jī)，或者稱為鏈路層交換機(jī)，通常工作在鏈路層；而路由器通常也具有交換機(jī)的能力，工作在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。
光纖是一種透明的導(dǎo)光介質(zhì)，多束光可以在一個(gè)介質(zhì)中并行傳播，不僅信號容量大，重量輕，并行度高而且傳播距離遠(yuǎn)。當(dāng)然，光纖不能彎曲，因此辦公室里用來連接交換機(jī)和個(gè)人電腦的線路肯定不能是光纖，光線通常都用于主干網(wǎng)絡(luò)。
3.2 | 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)交換（MAC地址）
同一個(gè)局域網(wǎng)中的設(shè)備如何交換消息？
首先明確一個(gè)概念，設(shè)備間通信的本質(zhì)其實(shí)是設(shè)備擁有的網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）間的通信。為了區(qū)別每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）要求每個(gè)設(shè)備擁有一個(gè)唯一的編號，這個(gè)就是 MAC 地址。
IP 地址不也是唯一的嗎？其實(shí)不然，一旦設(shè)備更換位置，比如你把你的電腦從北京郵寄的廣州，那么 IP 地址就變了，而電腦網(wǎng)卡的 MAC 地址不會(huì)發(fā)生變化?？偟膩碚f，IP 地址更像現(xiàn)實(shí)生活中的地址，而 MAC 地址更像你的身份證號
再明確另一個(gè)基本的概念。在一個(gè)局域網(wǎng)中，我們不可以將消息從一個(gè)接口（網(wǎng)卡）發(fā)送到另一個(gè)接口（網(wǎng)卡），而是要通過交換機(jī)。因?yàn)閮蓚€(gè)網(wǎng)卡間沒有線,所以數(shù)據(jù)交換，必須經(jīng)過交換機(jī)，畢竟線路都是由網(wǎng)卡連接交換機(jī)的。
總結(jié)下，數(shù)據(jù)的發(fā)送方，將自己的 MAC 地址、目的地 MAC 地址，以及數(shù)據(jù)作為一個(gè)分組（Packet），也稱作 Frame 或者封包，發(fā)送給交換機(jī)。交換機(jī)再根據(jù)目的地 MAC 地址，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的地的網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）。
這個(gè)分組或者 Frame，是鏈路層的數(shù)據(jù)交換，它支持 IP 協(xié)議工作，是網(wǎng)絡(luò)層的底層。所以，如果 IP 協(xié)議要傳輸數(shù)據(jù)，就要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為鏈路層的分組，然后才可以在鏈路層傳輸。
鏈路層分組大小受限于鏈路層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線路以及使用了鏈路層協(xié)議的設(shè)計(jì)。你有時(shí)候可能會(huì)看到 MTU 這個(gè)縮寫詞，它指的是 Maximun Transmission Unit，最大傳輸單元，意思是鏈路層網(wǎng)絡(luò)允許的最大傳輸數(shù)據(jù)分組的大小。因此 IP 協(xié)議要根據(jù) MTU 拆分封包。
MSS（Maximun Segment Size，最大段大?。┦?TCP 段，或者稱為 TCP 分組（TCP Packet）的最大大小。MSS 是傳輸層概念，MTU 是鏈路層概念。
3.3 | 地址解析協(xié)議（ARP）
鏈路層通過 MAC 地址定位網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口向另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，至少要提供這樣 3 個(gè)字段：
- 源 MAC 地址
- 目標(biāo) MAC 地址
- 數(shù)據(jù)
對于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，它如何能知道目標(biāo)接口的 MAC 地址呢？
在使用傳輸層協(xié)議的時(shí)候，清楚地知道目的地的 IP 地址，但是我們不知道 MAC 地址。這個(gè)時(shí)候，就需要一個(gè)中間服務(wù)幫助根據(jù) IP 地址找到 MAC 地址——這就是地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）。
整個(gè)工作過程和 DNS 非常類似，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)知道目標(biāo) IP 地址對應(yīng)的 MAC 地址了，它會(huì)將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的地。
如果網(wǎng)絡(luò)接口不知道目的地地址，地址解析協(xié)議就開始工作了。發(fā)送接口會(huì)發(fā)送一個(gè)廣播查詢給到交換機(jī)，交換機(jī)將查詢轉(zhuǎn)發(fā)給所有接口。
如果某個(gè)接口發(fā)現(xiàn)自己就是對方要查詢的接口，則會(huì)將自己的 MAC 地址回傳。接下來，會(huì)在交換機(jī)和發(fā)送接口的 ARP 表中，增加一個(gè)緩存條目。也就是說，接下來發(fā)送接口再次向 IP 地址 2.2.2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，不需要再廣播一次查詢了。
前面提到這個(gè)過程和 DNS 非常相似，采用的是逐級緩存的設(shè)計(jì)減少 ARP 請求。發(fā)送接口先查詢本地的 ARP 表，如果本地沒有數(shù)據(jù)，然后廣播 ARP 查詢。這個(gè)時(shí)候如果交換機(jī)中有數(shù)據(jù)，那么查詢交換機(jī)的 ARP 表；如果交換機(jī)中沒有數(shù)據(jù)，才去廣播消息給其他接口。注意，ARP 表是一種緩存，也要考慮緩存的設(shè)計(jì)。通常緩存的設(shè)計(jì)要考慮緩存的失效時(shí)間、更新策略、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。
比如可以考慮用 TTL（Time To Live）的設(shè)計(jì)，為每個(gè)緩存條目增加一個(gè)失效時(shí)間。另外，更新策略可以考慮利用老化（Aging）算法模擬 LRU。
路由器和交換機(jī)的異同點(diǎn)。
家用無線路由器通常也會(huì)提供局域網(wǎng)，具備交換機(jī)的能力。同時(shí)，這種設(shè)備又具有路由器的能力。
總的來說，家用的路由器，也具備交換機(jī)的功能。但是當(dāng) ARP 表很大的時(shí)候，就需要專門的、能夠承載大量網(wǎng)絡(luò)接口的交換設(shè)備。就好比，如果用數(shù)組實(shí)現(xiàn) ARP 表，數(shù)據(jù)量小的時(shí)候，遍歷即可；但如果數(shù)據(jù)量大的話，就需要設(shè)計(jì)更高效的查詢結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)緩存。
3.4 | 連接內(nèi)網(wǎng)
有時(shí)候，公司內(nèi)部有多個(gè)子網(wǎng)。這個(gè)時(shí)候一個(gè)子網(wǎng)如果要訪問另一個(gè)子網(wǎng)，就需要通過路由器。
圖中的路由器，其實(shí)充當(dāng)了兩個(gè)子網(wǎng)通信的橋梁。在上述過程中，發(fā)送接口不能直接通過 MAC 地址發(fā)送數(shù)據(jù)到接收接口，因?yàn)樽泳W(wǎng) 1 的交換機(jī)不知道子網(wǎng) 2 的接口。這個(gè)時(shí)候，發(fā)送接口需要通過 IP 協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)信息到子網(wǎng) 2 的交換機(jī)。
子網(wǎng) 2 的交換機(jī)如何根據(jù) IP 地址找到接收接口呢？答案是通過查詢 ARP 表。
3.5 | 連接外網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)，NAT)
最后討論下連接外網(wǎng)的問題
IPv4 協(xié)議因?yàn)榇嬖诰W(wǎng)絡(luò)地址耗盡的問題，不能為一個(gè)公司提供足夠的地址，因此內(nèi)網(wǎng) IP 可能會(huì)和外網(wǎng)重復(fù)。比如內(nèi)網(wǎng) IP 地址192.168.0.1發(fā)送信息給22.22.22.22，這個(gè)時(shí)候，其實(shí)是跨著網(wǎng)絡(luò)的。
跨網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)通過多次路由，最終將消息轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。但是這里存在一個(gè)問題，尋找的目標(biāo) IP 地址22.22.22.22是一個(gè)公網(wǎng) IP，可以通過正常的尋址 + 路由算法定位。當(dāng)22.22.22.22尋找192.168.0.1的時(shí)候，是尋找一個(gè)私網(wǎng) IP，這個(gè)時(shí)候是找不到的。解決方案就是網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)（Network Address Translation）。
NAT 技術(shù)轉(zhuǎn)換的是 IP 地址，私有 IP 通過 NAT 轉(zhuǎn)換為公網(wǎng) IP 發(fā)送到服務(wù)器。服務(wù)器的響應(yīng)，通過 NAT 轉(zhuǎn)換為私有 IP，返回給客戶端。通過這種方式，就解決了內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的通信問題。
3.6 | 總結(jié)
鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)靠的是 MAC 地址，MAC 地址就好像人的身份證一樣。局域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)不可能從一個(gè)終端直達(dá)另一個(gè)終端，而是必須經(jīng)過交換機(jī)交換。交換機(jī)也叫作鏈路層交換機(jī)，它的工作就是不斷接收數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。通常意義上，交換機(jī)不具有路由功能，路由器往往具有交換功能。但是往往路由器交換的效率，不如交換機(jī)。已知 IP 地址，找到 MAC 地址的協(xié)議，叫作地址解析協(xié)議（ARP）。
網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)的銜接，必須有路由器（或者等價(jià)的設(shè)備）。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備不能直接發(fā)送鏈路層分組給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，而是需要通過 IP 協(xié)議讓路由器轉(zhuǎn)發(fā)。
最后，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議是如何工作的？
【解析】網(wǎng)絡(luò)地址解析協(xié)議（NAT）解決的是內(nèi)外網(wǎng)通信的問題。NAT 通常發(fā)生在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)銜接的路由器中，由路由器中的 NAT 模塊提供網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換能力。從設(shè)計(jì)上看，NAT 最核心的能力，就是能夠?qū)?nèi)網(wǎng)中某個(gè) IP 地址映射到外網(wǎng) IP，然后再把數(shù)據(jù)發(fā)送給外網(wǎng)的服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候，NAT 又能夠準(zhǔn)確地判斷外網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)返回給哪個(gè)內(nèi)網(wǎng) IP。
NAT 是如何做到這點(diǎn)的呢？
- NAT 需要作為一個(gè)中間層替換 IP 地址。 發(fā)送的時(shí)候，NAT 替換源 IP 地址（也就是將內(nèi)網(wǎng) IP 替換為出口 IP）；接收的時(shí)候，NAT 替換目標(biāo) IP 地址（也就是將出口 IP 替換回內(nèi)網(wǎng) IP 地址）。
- NAT 需要緩存內(nèi)網(wǎng) IP 地址和出口 IP 地址 + 端口的對應(yīng)關(guān)系。也就是說，發(fā)送的時(shí)候，NAT 要為每個(gè)替換的內(nèi)網(wǎng) IP 地址分配不同的端口，確保出口 IP 地址+ 端口的唯一性，這樣當(dāng)服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候，就可以根據(jù)出口 IP 地址 + 端口找到內(nèi)網(wǎng) IP。
