2024年C C++最新计算机网络 --- IP_计算机网络 ip(2)，C C++面试基础

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子网掩码非常有特点.左半部分都是 1,右半部分都是 0.
然后把子网掩码和ip地址进行按位与运算,得到的结果就是网络号.

计算方式

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

1.5 特殊的 IP 地址

1. 如果是主机号为 全0, 这个 IP 就表示网络号,表示当前这个网段
2. 如果是主机号为 1,这个 IP 通常表示当前网段的"网关".(路由器的出入口)
3. 如果是主机号为 全1,这个 IP 表示"广播 IP"
4. 127.* (127.0.0.1 环回 IP 表示本机)

2. 数据链路层

2.1 以太网帧格式

• 这里的"目的地址"指的是 mac地址
• 这里的"源地址"指的是 mac地址
• 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
• 帧末尾是CRC校验码

2.2 MAC 地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
• 长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）
• 在网卡出厂时就确定了，不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址

2.3 MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

• 以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
• 最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
• 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

MTU 对 IP 协议的影响.

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

• 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
• 每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为0，否则置为1）；
• 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
• 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

MTU 对 UDP 协议的影响.

• 一旦UDP携带的数据超过1472（1500 - 20（IP首部） - 8（UDP首部）），那么就会在网络层分成多个IP数据报。
• 这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了

MTU 对 TCP 协议的影响.

• TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS（Max Segment Size）；
• TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。
• 最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
• 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。
• 然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
• MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）；

2.4 ARP 协议

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

• 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
• 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
• 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP协议的工作流程

• 源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）；
• 目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
• 每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

3. DNS

什么是DNS

DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com
域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：

1. 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了
   数量。
2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。
   DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器。
   浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。
   Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts文件中，Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中。

当下 DNS 服务器顶不住全世界访问.

解决办法1

浏览器/客户端本身对域名解析结果会进行缓存.
这样就避免了大量的不必要的 DNS 请求

解决办法2

DNS 服务器也不是只有一台! 而是有多台~也叫做,根域名服务器.

解决办法3

为了更进一步的降低压力,各种网络运营商,也会构建自己的域名服务器镜像.

解决办法4

针对 DNS 服务器做镜像的时候还可以按照域名来进行进一步的划分.

4. 面试题

从浏览器中输入一个 URL 之后,都发生了哪些事情?

1. 根据输入的域名,查询对应的 IP 地址

• 查询浏览器自身缓存是否有对应的IP
• 查询系统文件( hosts 文件)是否有对应的IP
• 查询路由器缓存是否有对应的IP
• 查询 DNS 服务器

2. 构造一个 HTTP 请求

• 首先进行 TCP 三次握手,建立连接
• 传输层把这个 TCP数据 进行封装交给网络层,网络层把这个 TCP数据封装成 IP 数据报交给数据链路层,数据链路层再把这个数据封装成 以太网数据帧,(此时就涉及到了 IP地址映射到 MAC地址,依赖了 ARP 协议),交给物理层,物理层把这个数据转换成电信号,继续传输
• 物理层又将数据交给数据链路层,数据链路层解析数据之后又交给网络层,路由器拿到了网络层中的 IP 数据报,取出其中的目的 IP, 查询路由表,找到下一个传输的目标,进而找到下一个要出书目标的MAC地址.再次进行封装.
• 此时数据又达到了接收方,数据又要进行分用.物理层把光电信号转成以太网数据帧交给数据链路层.数据链路层解析出 IP 数据报交给网络层,IP 协议再进行解析,解析出 TCP 数据报,再根据 TCP 数据报中的端口号,找到对应的进程,把数据就放入到对应的socket 的接收缓冲区里

3. 解析 HTTP 请求并响应

• 应用程序调用对应的 socket api,从 TCP 接收缓冲区里读取数据,应用层把这个数据按照 HTTP 协议来解析,获取到其中的 URL.根据 URL 中指定的路径,知道了是要获取到 / 这个根路径
• 服务器就会对 / 这个路径进行配置,映射到一个具体的html文件.服务器就会读取这个文件,把这个文件内容构造成一个 HTTP 响应数据,然后再调用 socket api进行发送
• 又重复进行封装分用.最终发送到达用户主机.
• 用户主机重复分用之后,把数据取出来交给应用程序.

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