通信协议综述

• 1、协议的三要素
  • 语法，一段内容要符合一定的规则和格式。例如，括号要成对，结束要使用分号等。
  • 语义，这一段内容要代表某种意义。例如数字减去数字是有意义的，数字减去文本一般来说就没意义。
  • 顺序，程序执行的先后顺序。
• 2、只有通过网络协议，才能使一大片机器互相协作、共同完成一件事。
• 3、网络内部，使用本地地址的MAC进行通信。
• 4、RPC,远程过程调用，RPC框架有很多种，有基于HTTP协议放在HTTP的保温里面的，有直接封装在TCP报文里面的。
• 5、当网络包到达一个城关的时候，可以通过路由表得到下一个城关的 IP 地址，直接通过 IP 地址找就可以了，为什么还要通过本地的 MAC 地址呢？
  • ip是网络层使用的，mac是链路层使用的，IP包最终还是要通过物理链接和mac地址进行交互的。IP和MAC是通过ARP协议进行映射。
  • IP是负责三层通信通过查找路由表，层层传递，最终到达目的设备，Mac负责二层通信，设备上的ARP表是IP和Mac的对应关系，通过ARP表找到目的IP的Mac地址。
• 6、复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求。比如，复杂的电商还会份数据库层、缓存层、Compose层，Controller层和接入层，每一层专注做本层的事情。
• 7、只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层没上层，绝对不可能有上层没下层。
• 8、对TCP协议来说，三次握手也好，重试也好，只要想发出去包，就要有IP层和MAC层，不然是发不出去的。
• 9、一个 HTTP 协议的包经过一个二层设备，二层设备收进去的是整个网络包。这里面 HTTP、TCP、 IP、 MAC 都有。什么叫二层设备呀，就是只把 MAC 头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。那什么叫三层设备呢？就是把 MAC 头摘下来之后，再把 IP 头摘下来，看看到底是丢弃、转发，还是自己留着。
• 10、网络协议就像是无天桥加送快递。
• 11、在Windows上是ipconfig,在Linux上是ifconfig。
• 12、在Linux上查看IP地址：ip addr,ifconfig
• 13、IP地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，相当于我们现实世界的门牌号码。
• 14、ABC三类地址所能包含的主机的数量。

  

• 15、无类型域间选路（CIDR）,将子网掩码和IP地址按位计算AND,就可得到网络号。
• 16、公有IP地址有个组织统一分配，你需要去买。
• 17、在IP地址后面有个scope，对于eth0这张网卡来讲，是global,说明这张网卡是可以对外的，可以接收来自各个地方的包。对于lo来讲，是host,说明这张网卡仅仅可以供本机相互通信。lo全称是lookup,又称环回接口，往往会被分配到127.0.0.1这个地址。这个地址用于本机通信，经过内核处理后直接返回，不会在任何网络中出现。
• 18、在 IP 地址的上一行是 link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff，这个被称为MAC 地址，是一个网卡的物理地址，用十六进制，6 个 byte 表示。
• 19、一个网络包要从一个地方传到另一个地方，除了要有确定的地址，还需要有定位功能。
• 20、MAC地址更像是身份证，是一个唯一的标识。它的唯一性设计是为了组网的时候，不同的网卡放在一个网络里面的时候，可以不用担心冲突。从硬件角度，保证不同的网卡有不同的标识。
• 21、MAC 地址的通信范围比较小，局限在一个子网里面。例如，从 192.168.0.2/24 访问 192.168.0.3/24 是可以用 MAC 地址的。一旦跨子网，即从 192.168.0.2/24 到 192.168.1.2/24，MAC 地址就不行了，需要 IP 地址起作用了。
• 22、net_device_flags,网络设备的状态标识。 <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>，UP表示网卡处于启动的状态；BROADCAST表示这个网卡有广播地址，可以发送广播包；MULTICAST表示网卡可以发送多播包；LOWER_UO表示L1是启动的，也即网卡插着呢。MTU1500,最大传输单元MTU为1500，这是以太网的默认值。
• 23、MTU是二层MAC层的概念。MAC层有MAC头，以太网规定连MAC头带正文合起来，不允许超过1500个字节。
• 24、qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？qdisc 全称是queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，它都需要按照为这个接口配置的 qdisc（排队规则）把数据包加入队列。
  • 最简单的 qdisc 是 pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列。pfifo_fast 稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。
  • 三个波段（band）的优先级也不相同。band 0 的优先级最高，band 2 的最低。如果 band 0 里面有数据包，系统就不会处理 band 1 里面的数据包，band 1 和 band 2 之间也是一样。
  • 数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段（band）里面的。TOS 是 IP 头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。
• 25、IP是地址，有定位功能；MAC是身份证，无定位功能；
• 26、CIDR可以用来判断是不是本地人；
• 27、IP分为公有的IP和私有的IP
• 28、net-tools和iproute2
• 29、如何配置IP地址
  • 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
• 30、Linux首先会判断，要去的这个地址和我是一个网段吗，或者和我的一个网卡是一个网段的吗？只有是一个网段，它才会发送ARP请求，获取MAC地址。如果不是，Linux默认的逻辑是，如果这是一个跨网段的调用，它便不会直接把包发送到网路上，而是企图将包发送到网关。
• 31、网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段的。
• 32、不同系统的配置文件格式不同，但是无非就是CIDR、子网掩码、广播地址和网关地址。
• 33、动态主机配置协议（DHCP）,自动配置的协议，英文：Dynamic Host Configuration Protocol.
• 34、如果是数据中心里面的服务器，IP一旦配置好，基本不会变，这就相当于买房自己装修。DHCP的方式就相当于租房。你不用装修，都是帮你配置好的。你暂时用一下，用完退租就可以了。
• 35、DHCP的工作方式：
  • 1 DHCP Discover:新来的机器使用 IP 地址 0.0.0.0 发送了一个广播包，目的 IP 地址为 255.255.255.255。广播包封装了 UDP，UDP 封装了 BOOTP。其实 DHCP 是 BOOTP 的增强版，但是如果你去抓包的话，很可能看到的名称还是 BOOTP 协议。
  • 格式：

    

  • 2、DHCP Offer:只有 MAC 唯一，IP 管理员才能知道这是一个新人，需要租给它一个 IP 地址，这个过程我们称为DHCP Offer。同时，DHCP Server 为此客户保留为它提供的 IP 地址，从而不会为其他 DHCP 客户分配此 IP 地址。除此之外，服务器还发送了子网掩码、网关和IP地址租用期等信息。
  • 格式：

    

  • 3、DHCP REquest:由于 DHCP Offer报文既可以是单播报文，也可以是广播报文，当AP端收到多台DHCP Server的响应时，只会挑选其中一个offer（通常是最先抵达的那个），然后向网络中发送一个 DHCP Request，广播报文，告诉所有的Offer，并重新发送DHCP，将指定接收哪一台服务器提供的IP地址。
  • 格式：

    

  • 4、DHCP ACK:当 DHCP Server 接收到客户机的 DHCP request 之后，会广播返回给客户机一个 DHCP ACK 消息包，表明已经接受客户机的选择，并将这一 IP 地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入该广播包，发给客户机，欢迎它加入网络大家庭。
  • 格式：

    

• 36、预启动执行环境（PXE）
  • 操作系统的启动：首先，启动 BIOS，读取硬盘的 MBR 启动扇区，将 GRUB 启动起来；然后将权力交给 GRUB，GRUB 加载内核、加载作为根文件系统的 initramfs 文件；然后将权力交给内核；最后内核启动，初始化整个操作系统。
  • 我们安装操作系统的过程，只能插在 BIOS 启动之后了。因为没安装系统之前，连启动扇区都没有。因而这个过程叫做预启动执行环境（Pre-boot Execution Environment），简称PXE。
  • PXE 协议分为客户端和服务器端，由于还没有操作系统，只能先把客户端放在 BIOS 里面。当计算机启动时，BIOS 把 PXE 客户端调入内存里面，就可以连接到服务端做一些操作了。
  • DHCP Server 除了分配 IP 地址以外，还可以做一些其他的事情。
    • DHCP Server 的一个样例配置：

      

    • 按照上面的原理，默认的 DHCP Server 是需要配置的，无非是我们配置 IP 的时候所需要的 IP 地址段、子网掩码、网关地址、租期等。如果想使用 PXE，则需要配置 next-server，指向 PXE 服务器的地址，另外要配置初始启动文件 filename。
  • PXE 客户端启动之后，发送 DHCP 请求之后，除了能得到一个 IP 地址，还可以知道 PXE 服务器在哪里，也可以知道如何从 PXE 服务器上下载某个文件，去初始化操作系统。
• 37、PXE的工作过程
  • 首先，启动 PXE 客户端。第一步是通过 DHCP 协议告诉 DHCP Server，我刚来，一穷二白，啥都没有。DHCP Server 便租给它一个 IP 地址，同时也给它 PXE 服务器的地址、启动文件 pxelinux.0。
  • 其次，PXE 客户端知道要去 PXE 服务器下载这个文件后，就可以初始化机器。于是便开始下载，下载的时候使用的是 TFTP 协议。所以 PXE 服务器上，往往还需要有一个 TFTP 服务器。PXE 客户端向 TFTP 服务器请求下载这个文件，TFTP 服务器说好啊，于是就将这个文件传给它。
  • 然后，PXE 客户端收到这个文件后，就开始执行这个文件。这个文件会指示 PXE 客户端，向 TFTP 服务器请求计算机的配置信息 pxelinux.cfg。TFTP 服务器会给 PXE 客户端一个配置文件，里面会说内核在哪里、initramfs 在哪里。PXE 客户端会请求这些文件。
  • 最后，启动 Linux 内核。
  • 图示：