本文主要是介绍计算机网络自定向下 CS144（1）网络应用、报文传输、封装规则、IP，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

文章目录

• 1 网络应用
• • 1.1 www
  • 1.2 p2p
  • 1.3 skype
  • 1.4 总结
• 2 TCP/IP 四层简述
• 3 网络层（ip service）
• • 3.1 IP协议提供哪些服务
  • 3.2 为什么这么设计IP协议
  • 3.3 IP数据包内容
• 4 报文的一次传输过程
• • 4.1 数据的传输形式
  • 4.2 wireshark 抓包【查看数据包信息】
  • 4.3 traceroute【查看数据包的路由情况】
• 5 报文交换（packet switch）
• 6 分层原则（layering principle）
• 7 封装原则（Principle: Encapsulation）
• 8 Memory, Byte order, and Packet Formats
• • 8.1 内存
  • 8.2 字节顺序
  • 8.3 报文格式
• 9 IPv4
• • 9.1 IPv4地址特点
  • 9.2 IPv4地址格式、子网掩码（判断是否在同一个网段）
  • 9.3 IPv4地址划分
• 10 报文路由转发IP地址匹配规则（Longest Prefix Match）
• 11 ARP协议(Address Resolution Protocol )
• • 11.1 概念过程
  • 11.2 格式
• 12 总结（The Internet and IP recap）

1 网络应用

communicate over the Internet using a bi-directional reliable byte stream.
两台电脑通过使用双向可靠的字节流在Internet上互相通信。

1.1 www

1.2 p2p

1.3 skype

1.4 总结

2 TCP/IP 四层简述

每一层相互独立不干扰，只实现本层需要提供的功能，如在数据链路层的以太网和wifi的链接方式就不一样，但是在网络层不需要知道这其中的细节，只要关注与转发就行了。上层使用下层的服务。

应用层：应用程序之间通过发送字节流通信
传输层：向上确定可靠传输TCP还是不可靠的传输UDP，向下将IP数据包重组有序发送
网络层：发送将数据切分多个数据包，尽最大努力的发送，过程不保证数据包的顺序
数据链路层：将数据包从链路发送出去

3 网络层（ip service）

3.1 IP协议提供哪些服务

总结：互不干扰的报文，经过路由器一跳一跳的尽最大努力的发送，无连接的发送，数据包的到达顺序可能不一致，数据包可能会丢失的，总之就是发送要快，要精简，不要有额外的消耗，让上层来保证可靠传输。

3.2 为什么这么设计IP协议

3.3 IP数据包内容

4 报文的一次传输过程

4.1 数据的传输形式

应用层通过read和write将数据转为字节流交给传输层处理，然后传输层将字节流拆分多个segment交给网络层，网络层负责转发，通过多个路由器（多跳）中的转发表中存储的转发地址找到对应服务器获取资源。

4.2 wireshark 抓包【查看数据包信息】

1. 客户机与服务器通过三次握手建立连接
   

2. 客户机发送http请求

3. 服务器响应，将资源发送给客户机，响应状态200OK状态码

4.3 traceroute【查看数据包的路由情况】

客户机发送请求后数据包经过的路由情况，可以看出请求数据包经过20多跳到达了服务器。

5 报文交换（packet switch）

不同于circuit switching（电路交换，需要持续建立链接）, 在packet switching(封包交换)这项技术中，封包到达switch的时候会查看forwarding table, 根据forwarding table上的规则进行转送。同样地, switch也是拥有buffer的，在多个封包同时到达switch, 并要使用同一条链路进行传送时, 由于switch只能一个一个地转送封包，于是switch会将一些封包放置在buffer之中。

在packet switching中，每个封包都是独立地，因此不需要为每次通讯建立一个特有的私人的频道, 可以更好地利用链路资源，并且由于packet是self-contain的，因此packet可以通过forwarding table到达终点。此外，在packet switching中是不需要维护每个通讯的状态的，这无疑给网络管理减轻了非常多的负担。

报文交换的优点

6 分层原则（layering principle）

7 封装原则（Principle: Encapsulation）

在封包传输时，都会有一个header, 而header后面跟的就是payload, payload又是上一层的数据，这样就实现了封装。举个例子，为了发送一个TCP segment, TCP会组成IP packet的payload, 那么我们可以说IP将这个TCP segment封装了起来。

一个抓包的例子：
应用举例VPN：
VPN具体来说就是允许客户与VPN供应商的网络建立安全连接，比如Transport Layer Security (TLS), TLS封包内部的数据是加密的，接着在TLS外面进行封装，如图所示:

8 Memory, Byte order, and Packet Formats

8.1 内存

现在64位元的系统而言，memory理论上最大可以达到2^{64} bytes, 然而实际上现今的电脑并没那么大的内存，基本上都是处于2^{30} bytes，也就是gigabytes (GB)这个级别

8.2 字节顺序

计算机的软件如何从内存中读取一组字节？
在计算机中内存地址是16进制的形式，每个十六进制位对应4个二进制位。

例如1024通过16进制表示为0x0400, 一个16进制的数字占用2字节 此时0x04和0x00分别占用1 byte. 那么哪个字节是先出现呢？little endian的表示法为: 0x0004; big endian的表示法为: 0x0400. big endian更偏向于人类对于数字的认知。

像intel和AMD通常是采用little endian, ARM processor,大多是使用big endian.

举个例子：

8.3 报文格式

9 IPv4

9.1 IPv4地址特点

9.2 IPv4地址格式、子网掩码（判断是否在同一个网段）

9.3 IPv4地址划分

过去的方法：

现在的CIDR
现今的IPv4 address structure是采取Classless Inter-Domain Routing (CIDR). 在这个架构中不需要像原始架构那样需要8/16/24 bits作为前缀，任意长度的bits都可以作为前缀，这也使得CIDR比原来的架构更加地具有弹性，同时在CIDR中会有一个数字代表了netmask的长度，这个数字也就是netmask转为二进制之后从最左端开始连续1的个数。例如，一个IP address为171.64.0.0/16，那么意味着IP address 171.64.0.0 – 171.64.255.255这个范围都属于同一个网络，netmask为255.255.0.0，通过netmask区别是否属于同一网络，再通过slash之后的数字来记录host IP的范围，CIDR比原来的structure更加简便。

10 报文路由转发IP地址匹配规则（Longest Prefix Match）

11 ARP协议(Address Resolution Protocol )

11.1 概念过程

在同一局域网内在传输封包的时候，由于必须要知晓对方设备的MAC address才能传输，假设我们已经知晓了目的端的IP address了，那么我们该如何知晓目的端所对应的MAC address呢？这个问题的答案就是Address Resolution Protocol (地址解析协议)，简写为ARP, 这个协议中的解析之意，我想是将IP address 映射为 MAC address吧. 值得一提的是，IP address和MAC address其实是一一对应的关系，而不是一个IP 对应多个MAC address。

ARP 是一个简单的request-reply protocol, host 1一开始会在ARP request里询问谁有IP address X, 并且以broadcast (广播) 的形式发出去，广播的MAC address是ff:ff:ff:ff:ff:ff, 之后IP address 为X的host 2收到了这则讯息会以unicast (单播)的形式reply 这则讯息，由此建立mapping的关系。当然，因为是广播，在同一个局域网中，其它的节点也会依据host 1在ARP request中所写的IP address和MAC address建立起mapping的关系。这种mapping的关系也是有时间限制的，Cisco的设备记录mapping的timeout是4 hours, 不同设备之间的mapping持续时间也不同。当然我们也可以查询自己电脑上的ARP cache, 下面这张图我是使用Mininet模拟出的网络中的host来查看它的ARP cache.

11.2 格式

12 总结（The Internet and IP recap）

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