一、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識

1、分組交換協(xié)議

將報文分割為一個個叫做包（packet）的較小單位進行傳輸?shù)姆椒āＴ诜指畹耐瑫r，會在每個包中表明分組序號，這個序號供接收端重新裝配數(shù)據(jù)。

2、協(xié)議分層和OSI參考模型

OSI模型由ISO制訂，將通信協(xié)議中必要的功能分為了7層。

2.1OSI參考模型

從上至下依次為：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

• 應(yīng)用層（規(guī)定通信相關(guān)細節(jié)）
  針對特定應(yīng)用規(guī)定特定的協(xié)議。如電子郵件協(xié)議、文件傳輸協(xié)議等。
• 表示層（負責(zé)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換）
  設(shè)備固有數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。將不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷?；或者將來自下一層的?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為上一層能夠處理的格式。
• 會話層（通信連接管理）
  通信管理。負責(zé)建立和斷開通信連接。管理傳輸層以下的分層。可以控制何時建立連接、何時斷開連接和連接多長時間。
• 傳輸層
  管理數(shù)據(jù)的傳輸，確保數(shù)據(jù)被可靠的傳送到目標(biāo)地址。比如：是否有數(shù)據(jù)丟失。
• 網(wǎng)絡(luò)層（將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)地址）
  地址管理和路由選擇。負責(zé)選擇由哪些路由傳遞到目標(biāo)地址。
• 數(shù)據(jù)鏈路層
  互聯(lián)設(shè)備之間傳送和識別數(shù)據(jù)幀。
• 物理層
  將設(shè)備接收到的01數(shù)字流轉(zhuǎn)換為電壓或者脈沖光，然后傳輸給物理傳輸介質(zhì)；或者將接收到的電壓信號和脈沖轉(zhuǎn)換為01數(shù)字流。

3、傳輸方式分類

可以根據(jù)其數(shù)據(jù)發(fā)送方式進行多種分類。

3.1 面向連接型和面向無連接型

• 面向有連接型
  要求雙方建立連接，雙方都確認可以連接和接收，然后才開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 面向無連接型
  不要求建立連接，不用確認對方的工作狀態(tài)，以及不用關(guān)心對方是否存在，只管發(fā)送，不關(guān)心對方有沒有接收到。

3.2 電路交換和分組交換

• 電路交換
  歷史相對久遠，主要用于過去的電話網(wǎng)。
  交換機主要負責(zé)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)處理。計算機首先被連接到交換機上，交換機之間則由眾多通信線路再繼續(xù)連接。因此計算機之間在發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要通過交換機與目標(biāo)主機建立通信電路。建立好連接后，用戶就可以一直使用這條線路，直到該連接被斷開。
  這樣的話，有個嚴重的缺點：一旦兩個計算機建立連接，那么這條線路就會被獨自占用。如果并發(fā)數(shù)超過了通信線路數(shù)，就意味著多出來的一部分無法進行通信。

• 分組交換（蓄積交換）
  一種較新的通信方式，TCP/IP就是采用了分組交換技術(shù)。由分組交換機（路由器）連接通信線路。
  

  讓連接到通信電路的計算機將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)分成多個數(shù)據(jù)包，并在每個數(shù)據(jù)包中加入序號、發(fā)送端和接收端的地址，然后進行發(fā)送。接收端接收到數(shù)據(jù)包后再進行排序處理即可。這樣所有的計算機就可以一齊收發(fā)數(shù)據(jù)，提高了通信線路的利用率。
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  主要流程為：
  1、發(fā)送端將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給路由器
  

  2、路由器接收到數(shù)據(jù)后，緩存到自己的緩沖區(qū)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)計算機。

3.3 根據(jù)接收端數(shù)量分類

• 單播
• 廣播
• 多播
• 任播

二、TCP/IP基礎(chǔ)知識

ARPANET：全球互聯(lián)網(wǎng)的鼻祖。
TCP/IP：由ARPANET的一個機構(gòu)研發(fā)出來
SMTP：發(fā)送電子郵件時使用的協(xié)議

每個包的首部至少包含兩個信息：發(fā)送端和接收端地址以及上一層的協(xié)議類型。

經(jīng)過每個協(xié)議分層時，都必須有識別包發(fā)送端和接收端的信息。以太網(wǎng)會用MAC地址、IP會用IP地址，而傳輸層用端口號識別。

三、數(shù)據(jù)鏈路

OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，有時也指以太網(wǎng)、無限局域網(wǎng)等通信手段。
數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議定義了通過通信媒介（如雙絞線電纜、光纖、電波等介質(zhì)）互聯(lián)的設(shè)備之間傳輸?shù)囊?guī)范。此外，各個設(shè)備之間有時也會通過交換機、網(wǎng)橋、中繼器等中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)技術(shù)：MAC尋址（物理尋址）、介質(zhì)共享、非公有網(wǎng)絡(luò)、分組交換、環(huán)路檢測、VLAN（虛擬局域網(wǎng)）等。

1、相關(guān)的技術(shù)

1.1、MAC地址

MAC地址用于識別數(shù)據(jù)鏈路中互聯(lián)的節(jié)點。
MAC地址長48比特。一般的數(shù)字使用規(guī)則如下：
1、第1位：單播地址0，多播地址1；
2、第2位：全局地址0，本地地址1；
3、第3～24位：由IEEE管理并保存的各廠家之間的不重復(fù)的識別碼；
4、第25～48位：由廠商管理并保證不重復(fù)的廠商內(nèi)識別碼。
MAC地址由12位16進制數(shù)字表示

1.2共享介質(zhì)型網(wǎng)絡(luò)（半雙工工作方式）

由多個設(shè)備共享一個通信介質(zhì)的一種網(wǎng)絡(luò)。
共享介質(zhì)型網(wǎng)絡(luò)的兩種介質(zhì)訪問控制方式：爭用方式和令牌傳遞方式。

• 爭用方式
  是指爭奪獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋?quán)利，也叫CSMA。這種方式通常令網(wǎng)絡(luò)中的各個站采用先到先得的方式占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，如果多個站同時發(fā)送幀，就會沖突，進而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵和性能下降。
  改良后的方式為CSMA/CD，要求每個站提前檢查沖突，一旦有沖突，則盡早釋放信道。工作原理如下：
  1、如果載波信道上沒有數(shù)據(jù)驅(qū)動，則任何站都可以發(fā)送數(shù)據(jù)；
  2、檢查是否會發(fā)生沖突，一旦發(fā)生沖突，放棄發(fā)送數(shù)據(jù)，并立即釋放載波信道。
  3、放棄發(fā)送后，隨機延遲一段時間，再次查詢是否可以發(fā)送。
• 令牌傳遞方式
  一種沿著令牌環(huán)發(fā)送一種叫做“令牌”的特殊報文，是控制傳輸?shù)囊环N方式，只有獲得令牌的站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做才不會發(fā)生沖突，并且保證了公平性。

類似的，有非共享介質(zhì)型網(wǎng)絡(luò)，它是全雙工工作方式。

半雙工：同一時間只能發(fā)或者只能收，同一時間只能做一件事；

全雙工：發(fā)送和接收可以同時進行。

2、以太網(wǎng)

規(guī)范簡單、易于NIC（網(wǎng)卡）及驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。

四、IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）

負責(zé)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給最終目標(biāo)計算機，實現(xiàn)終端節(jié)點之間的通信，也叫做點對點通信。位于網(wǎng)絡(luò)層。
主機：配有IP地址的設(shè)備，但是不進行路由控制的設(shè)備
路由器：既配有IP地址又具有路由控制能力的設(shè)備
節(jié)點：路由器和主機的統(tǒng)稱。

1、IP基礎(chǔ)知識

IP大致分為三大作用模塊：IP尋址、路由和IP分包和組包。

1.1、IP地址

IP地址用于在連接到網(wǎng)絡(luò)中的所有主機中識別出進行通信的目標(biāo)地址。它不會受連接的數(shù)據(jù)鏈路的不同而改變。

在網(wǎng)橋或者交換集線器等物理層或數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中，不需要設(shè)置IP地址，因為這些設(shè)備只負責(zé)將IP包轉(zhuǎn)化為01比特流或者對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2、路由控制

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1.2.1、路由控制表

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1.2.2、IP屬于面向無連接型

在發(fā)包前，不需要建立與目標(biāo)地址之間的連接，如果上層有發(fā)送的IP數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會立即被壓縮成IP包發(fā)送出去。

采用無連接型的原因：為了簡化和提速。面向連接的處理相對復(fù)雜，甚至管理每個連接本身就比較復(fù)雜；此外，如果每次通信前都要事先連接，就會降低處理速度。建立連接可以交給它的上一層--傳輸層。

1.3、IP地址基礎(chǔ)知識

1.3.1、IP地址定義

IP地址由32位（二進制）正整數(shù)表示，每8位一組，分成4組。一臺路由器也可以配置兩個以上的網(wǎng)卡，所以也可以設(shè)置兩個以上的IP地址。

1.3.2、IP地址由網(wǎng)絡(luò)和主機兩部分標(biāo)識組成

IP弟子由“網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（網(wǎng)絡(luò)地址）”和“主機標(biāo)識（主機地址）”組成。
網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識在數(shù)據(jù)鏈路的每個階段配置不同的值，但是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識必須保證相互連接的每個段的地址不相重復(fù)，但是相同段內(nèi)相連的主機必須有相同的網(wǎng)絡(luò)地址（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識）。

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1.3.3、IP地址分類（下面說的都是二進制）

• A類地址：首位以0開頭的地址，從第1位到第8位是它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，即0.0.0.0～127.0.0.0是A類的網(wǎng)絡(luò)地址。則后24位相當(dāng)于主機標(biāo)識。所以該網(wǎng)段內(nèi)可以容納2的24次方減2個主機地址。
• B類地址：前兩位是10的地址，從第1位到第16位是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，后16位則為主機地址（主機標(biāo)識）
• C類地址：前三位是110的地址，從第1位到第24位是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，后8位是主機地址（主機標(biāo)識），則可容納2的8次方減2個主機地址，即254個（??注意不是255個）

• D類地址：前四位是1110的地址，從第1位到第32位是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，沒有主機標(biāo)識。因此也一般被用于多播
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注意??：在分配IP地址時主機標(biāo)識不能全為0或者全為1，因為全部為0標(biāo)識對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址不可獲知，全部為1的主機地址通常用于廣播地址。（這也是上面為什么要減去2的原因）

1.3.4、廣播地址

IP地址的主機標(biāo)識部分全部設(shè)置為1，就成了廣播地址。
有兩種廣播：本地廣播和直接廣播

• 本地廣播
  在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣播，本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是指網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識部分相同，處于同一網(wǎng)段；

• 直接廣播
  

  在不同網(wǎng)絡(luò)之間廣播，即不在同一個網(wǎng)段。
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1.3.5、IP多播

多播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機，能夠穿透路由器，發(fā)送給其他網(wǎng)段（網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識）內(nèi)的特定主機。
廣播是發(fā)送給當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識內(nèi)的所有主機，由主機去判斷是否接收，而且由于是在同一個網(wǎng)段內(nèi)，所以它無法穿透路由。

• IP多播和地址
  多播采用D類地址，即從首位開始的四位為1110。

1.3.6、子網(wǎng)掩碼

為了減少IP地址分類帶來的浪費而提出的。
子網(wǎng)掩碼通過子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址細分出比A類、B類、C類更小粒度的網(wǎng)絡(luò)，將原來A類、B類、C類等分類中的主機地址部分用作子網(wǎng)地址。
引入了子網(wǎng)后，IP地址有兩種識別碼：IP地址本身和網(wǎng)絡(luò)部的子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼也是32位的，對應(yīng)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識部分為1，對應(yīng)于子網(wǎng)的主機標(biāo)識部分為0。也因此，可以看出子網(wǎng)掩碼的首位一定是連續(xù)的1。
把子網(wǎng)掩碼和子網(wǎng)主機標(biāo)識相對應(yīng)的位置記為0，是為了與運算的方便，通過與運算，我們可以容易得到子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和主機標(biāo)識。

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1.3.7、CIDR和VLSM

放棄IP分類，采用任意長度分割I(lǐng)P地址的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和主機標(biāo)識，把這種方式叫做CIDR（無類型域間選路）
可以隨機修改組織內(nèi)各個部門的子網(wǎng)掩碼長度的機制稱為VLSM（可變長子網(wǎng)掩碼）

1.4、路由控制

在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中指明發(fā)往目標(biāo)地址的路徑的信息，保存這種信息的就是路由控制表。
路由控制表的形成有兩種方式：靜態(tài)路由（管理員手動設(shè)置）和動態(tài)路由（路由器之間相互之間根據(jù)路由協(xié)議交換信息）。

IP協(xié)議始終認為路由表是正確的。IP本身沒有定義和制作路由表的機制，路由表由路由協(xié)議制作而成。

1.4.1、IP地址與路由控制

IP的網(wǎng)絡(luò)地址部分用于進行路由控制。
路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送到的路由器的地址。在發(fā)送IP包時，首先要確定IP包首部中的目標(biāo)地址，再從當(dāng)前路由器中找到與該目標(biāo)地址相同或者最吻合的網(wǎng)絡(luò)地址，最后根據(jù)找到的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給相應(yīng)的路由器。

• 默認路由
  一般表姐為0.0.0.0/0或default，這里的地址和IP地址0.0.0.0不一樣，可以發(fā)現(xiàn)其子網(wǎng)掩碼的長度為0，則說明沒有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識部分。
• 主機路由
  格式為“IP地址/32”，表示整個長度32位都是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（網(wǎng)絡(luò)地址），那么只有在完全匹配的情況下它才會接收來自其他路由器的數(shù)據(jù)。也被稱為主機路由。
• 環(huán)回地址
  在同一個計算機上的程序之間進行網(wǎng)絡(luò)通信時所使用的一個默認地址，127.0.0.1就是環(huán)回地址，也就是我們常說的localhost。使用這個IP時，數(shù)據(jù)包不會流向網(wǎng)絡(luò)。

1.4.2、路由控制表的聚合

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1.5、IP分割處理與再構(gòu)成處理

MTU：最大傳輸單元

1.5.1、數(shù)據(jù)鏈路不同，MTU則不同

每種數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元都不盡相同，因為他們的使用目的不同。

1.5.2、IP報文的分片和重組

因為每條數(shù)據(jù)鏈路的MTU不同，所以當(dāng)內(nèi)容太大時，一次性傳輸不完，這個時候就有必要對IP分片。是否需要分片由路由器決定。

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1.5.3、路徑MTU發(fā)現(xiàn)

分片機制的不足：
1、因為分片是在路由器中進行的，所以加重了路由器的處理負擔(dān)
2、網(wǎng)絡(luò)安全的需要。一般是不期望進行IP數(shù)據(jù)包的切片處理的
3、一旦某個分片丟失，就會造成整個IP數(shù)據(jù)報作廢。
路徑MTU，就是為了解決上述問題的。其工作原理如下：
1、在發(fā)送端主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時將其首部的分片禁止標(biāo)志為設(shè)置為1。根據(jù)這個標(biāo)志位，圖中路由器即使遇到需要分片才能處理的大包，此時也不會切片，而是選擇放棄，并回傳一個合適的MTU值給發(fā)送主機；

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1.6、IPv6

1.7、IPv4首部

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五、IP協(xié)議相關(guān)技術(shù)

IP的目的是讓目標(biāo)主機收到數(shù)據(jù)包，這一過程除此之外，還需要有能夠解析主機名稱和MAC地址的功能，以及其他必不可少的功能。

1、DNS

我們在訪問一些網(wǎng)站的時候，使用的是如“www.baidu.com”之類的IP地址，而不是類似于“192.168.112.3”之類的羅馬數(shù)字和點號組成的地址。使用羅馬數(shù)字，明顯不方便。而使用前者，網(wǎng)絡(luò)中是怎么解析的呢？
DNS就是用來將那串字符串轉(zhuǎn)為具體IP地址的。它用來有效管理主機名和IP地址之間的對應(yīng)的關(guān)系，它維護了一個用來表示組織內(nèi)部主機名和IP地址之間的對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。

1.1、域名的構(gòu)成

域名是指為了識別主機名稱和組織機構(gòu)名稱的一種具有分層的名稱。域名由英文字母用點號連接構(gòu)成。

• 域名服務(wù)器
  管理域名的主機和響應(yīng)的軟件。它可以管理所在分層的域的相關(guān)信息。其所管理的分層叫做ZONE。

• 解析器
  進行DNS查詢的主機和軟件。用戶所使用的工作站或個人電腦都屬于解析器。

  
  
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1.2、DNS查詢

如圖，kusa.co.jp要訪問網(wǎng)站www.ietf.org：

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2、ARP

ARP：一種解決地址問題的協(xié)議。以目標(biāo)IP地址為線索，用來定位下一個應(yīng)該接收數(shù)據(jù)分包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址。

ARP只適用于IPv4，IPv6使用ICMPv6替代。

2.1、工作機制

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如圖，處于同一鏈路的兩臺主機，A要想知道B的MAC地址，那么過程如下：
1、A通過廣播的方式發(fā)送一個ARP請求，該請求中包含了想要了解的B的IP地址。因為采用的是廣播的方式，所以處于同一鏈路上的所有主機和路由器都會進行解析。
2、如果有主機或者路由器的IP地址和ARP請求中的相同，那么這個節(jié)點就將自己的MAC地址塞入ARP響應(yīng)包，并返回給A。
3、A獲取到了MAC地址做后續(xù)處理。并為了避免每次都去做ARP解析，A會將該MAC地址緩存一段時間。同樣，B也會將該MAC地址儲存起來。

MAC地址和IP地址是否只要其中一個就可以了呢？

2.2、RARP

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2.3、ICMP

確認IP包是否成功送達目標(biāo)地址；通知再發(fā)送過程當(dāng)中IP包被廢棄的具體原因；改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。通過這些就可以獲得網(wǎng)絡(luò)是否正常，設(shè)置是否有誤等異常信息，從而作出網(wǎng)絡(luò)診斷。

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2.3.1、ICMPv6

如果沒有ICMPv6則IPv6就無法進行正常的通信。在IPv6中，IP地址定位MAC地址的協(xié)議從ARP轉(zhuǎn)為了ICMP的鄰居探索消息，這種鄰居探索消息融合了IPv4的ARP、ICMP重定向和ICMP路由器選擇消息等功能于一體，甚至還提供了自動設(shè)置IP地址的功能。
鄰居探索利用的是IPv6的多播地址實現(xiàn)的（ARP使用的是廣播方式）。（多播和廣播的區(qū)別）

2.4、DHCP

為了實現(xiàn)自動設(shè)置IP地址、統(tǒng)一管理IP地址分配，就產(chǎn)生了DHCP協(xié)議。使用DHCP協(xié)議，就可以實現(xiàn)即插即用的功能。比如電腦設(shè)備每移動到一個新的地方，都會產(chǎn)生一個新的IP地址，就是DHCP協(xié)議所起的作用。

2.4.1、工作機制

1、先架設(shè)一臺DHCP服務(wù)器；
2、將DHCP所要分配的IP地址、相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼、路由控制信息以及DNS服務(wù)器地址等設(shè)置到服務(wù)器上

DHCP分配IP地址的兩種方法為：在特定的IP地址中自動選出一個進行分配；根據(jù)MAC地址分配固定的IP地址。

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一般的家庭中，由寬帶路由器充當(dāng)DHCP角色。而類似于公司這種龐大的網(wǎng)絡(luò)，則需要架設(shè)單獨的DHCP服務(wù)器或者使用DHCP中繼代理。

2.4.2、DHCP中繼代理

該中繼代理保存了DHCP服務(wù)器的IP地址。DHCP客戶端會向DHCP中繼代理發(fā)送DHCP請求包，DHCP中繼在接收到這個廣播包以后，以單播的形式發(fā)送給DHCP服務(wù)器，DHCP服務(wù)器收到該包后向DHCP中繼代理做應(yīng)答，再由中繼代理把包含IP地址的包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的DHCP客戶端。

3、IP隧道

IP隧道

如圖，因為兩個IPv6之間要通信的話，必須經(jīng)過一個IPv4網(wǎng)絡(luò)，這樣是無法實現(xiàn)通信的。此時就需要采用IP隧道的功能。
IP隧道會將哪些從A發(fā)過來的IPv6的包統(tǒng)一和為一個數(shù)據(jù)，再為之追加一個IPv4首部以后轉(zhuǎn)發(fā)給C。

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