为什么要学网络协议
《圣经》中有一个通天塔的故事，大致是说，上帝为了阻止人类联合起来，就让人类说不同的语言。人类没法儿沟通，达不成“协议”，通天塔的计划就是失败了。
但是千年以后，有一种叫“程序猿”的物种，敲着一种这个群体通用的语言，连接着全世界所有的人，打造这互联网的通天塔。如今的世界，正是因为互联网，才链接在一起。
当“hello world!”从显示器打印出来的时候，还记得你激动的心情吗？
public class HelloWorld {
public static void main(String[] args){
System.out.println("Hello World!");
}
}
这是每个程序员向计算机世界说“你好，世界”的方式，但是，你不一定知道，这段文字也是一种协议，是人类和计算机沟通的协议，只有通过这种协议，计算机才知道我们想让它做什么。
协议三要素
当然，这种协议还是更接近人类语言，机器不能直接读懂，需要进行翻译，翻译的工作交给编译器，也就是程序员常说的compile。这个过程比较复杂，其中的编译原理非常复杂。
但是可以看得出，计算机语言作为程序员控制一台计算机工作的协议，具备了协议的三要素。
- 语法，就是这一段内容要符合一点的规则和格式。例如，括号要成对，结束要使用分号等。
- 语义，就是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有意义。
- 顺序，就是先干什么，后干什么。例如，可以先加上某个数值，然后再减去某个数值。
但是，要想打造互联网世界的通天塔，只教给一台机器做什么是不够的，你需要学会交给一大片机器做什么。这就需要网络协议。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。
当你想要买一个商品，常规的做法就是打开浏览器。输入购物网站的地址。浏览器就会给你显示一个缤纷多彩的页面。
它之所以能够显示缤纷多彩的页面，是因为它收到了一段来自HTTP协议的“东西”。格式就像下面这样：
HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 27 Mar 2018 16:50:26 GMT
Content-Type: text/html;charset=UTF-8
Content-Language: zh-CN
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<base href="https://pages.aaa.com/" />
<meta charset="utf-8"/> <title>*****</title>
这符合协议的三要素吗？
首先，符合语法，也就是说，只有按照上面那个格式来，浏览器才人。例如，上面的状态，然后是首部，然后是内容。
第二，符合语义，就是要按照约定的意思来。例如，状态200，表述的意思是网页成功返回。如果不成功，就是我们常见的“404”。
第三，符合顺序，你一点浏览器，就是发送一个HTTP请求，然后才有上面那一串HTTP返回的东西。
浏览器显然按照协议商定好的做了，最后一个五彩缤纷的页面就出现在你的面前了。
我们常用的网络协议有哪些？
接下来揭秘大事情，“双十一”。这和我们要讲的网络协议有什么关系呢?
在经济学领域，有个伦纳德·里德（Leonard E.Read）创作的《铅笔的故事》。这个故事通过一个铅笔的诞生过程，来讲述复杂的经济理论。这里，我也用一个下单的过程，看看互联网世界的运行过程中，都是用了哪些网络协议。
你先在浏览器里面输入http://www.aaaa.com，这是一个URL。浏览器只知道名字是“http://www.aaaa.com”，但是不知道具体的地点，所以不知道应该如何访问。于是，它打开地址簿去查找。可以使用一般的地址簿协议DNS去查找，还可以使用另一种更加精准的地址簿查找协议HTTPDNS。
无论用哪一种方法查找，最终都会得到一个精确的ip地址，如：106.114.138.24，这个IP地址，是互联网世界的“门牌号”。
知道了目标地址，浏览器就开始打包它的请求。对于普通的浏览请求，往往会使用HTTP协议；但是对于购物的请求，往往需要进行加密传输，因而会使用HTTPS协议。无论是什么协议，里面都会写明“你要买什么和买多少”。
DNS、HTTP、HTTPS所在的层我们称为应用层。经过应用层封装后，浏览器会将应用层的包交给下一层去完成，通过socket编程来实现。下一层是传输层。传输层有两种协议，一种是无连接的协议UDP，一种是面向连接的协议TCP。对于支付来讲，往往使用TCP协议。所谓是面向连接就是，TCP会保证这个包能够到达目的地。如果不能到达，就会重新发送，直至到达。
TCP协议里面会有两个端口，一个是浏览器监听的端口，一个是电商的服务器监听的端口。操作系统往往通过端口来判断，它得到的包应该给哪个进程。
传输层封装完毕后，浏览器会将包交给操作系统的网络层。网络层的协议是IP协议。在IP协议里面会有源IP地址，即浏览器所在机器的IP地址和目标IP地址，也即电商网站所在服务器的IP地址。
操作系统既然知道了目标IP地址，就开始想如何根据这个门牌号找到目标机器。操作系统往往会判断，这个目标IP地址是本地人，还是外地人。如果是本地人，从门牌号就能看出来，但是显然电商网站不再本地，而在遥远的地方。
操作系统知道要离开本地去远方。虽然不知道远方在何方，但是可以这样类比一下：如果去国外要去海关，去外地就要去网关。而操作系统启动的时候，就会被DHCP协议配置IP地址，以及默认的网关的IP地址192.168.1.1。
操作系统如何将IP地址发给网关呢？在本地通信基本靠吼，于是操作系统大吼一声，谁是192.168.1.1啊？网关会回答它，我就是，我的本地地址在村东头。这个本地地址就是MAC地址，而大吼的那一声是ARP协议。
于是操作系统将IP包交给了下一层，也就是MAC层。网关再将包发出去。由于这个包里面是有MAC地址的，因而它能够到达网关。
网关收到包之后，会根据自己的知识，判断下一步应该怎么走。网关往往是一个路由器，到某个IP地址应该怎么走，这个叫路由表。
路由器有点像玄奘西行路过的一个个国家的一个个城关。每个城关都连着两个国家，每个国家相当于一个局域网，在每个国家内部，都可以使用本地的地址MAC进行通信。
一旦跨越城关，就需要拿出IP头来，里面写着贫僧来自东土大唐（就是源IP地址），欲往西天拜佛求经（指的是目标IP地址）。路经宝地，借宿一晚，明日启程，请问接下来该怎么走啊？
城关往往是知道这些“知识”的，因为城关和临近的城关也会经常沟通。到哪里应该怎么走，这种沟通的协议称为路由协议，常用的有OSPF和BGP。
城关与城关之间是一个国家，当网络包知道了下一步去哪个城关，还是要使用国家内部的MAC地址，通过下一个城关的MAC地址，找到下一个城关，然后再问下一步的路怎么走，一直到走出最后一个城关。
最后一个城关知道这个网络包要去的地方。于是，对着这个国家吼一声，谁是目标IP啊？目标服务器就会回复一个MAC地址。网络包过关后，通过这个MAC地址就能找到目标服务器。
目标服务器发现MAC地址对上了，取下MAC头来，发送给操作系统的网络层。发现IP也对上了，就取下IP头。IP头里会写上一层封装的是TCP协议，然后将其交给传输层，即TCP层。
在这一层里，对于收到的每个包，都会有一个回复的包说明收到了。这个回复的包绝非这次下单请求的结果，例如购物是否成功，扣了多少钱等，而仅仅是TCP层的一个说明，即收到之后的回复。当然这个回复，会沿着刚才来的方向走回去，报个平安。
因为一旦除了国门，西行路上千难万险，如果在这个过程中，网络包走丢了，例如进了大沙漠，或者被强盗抢劫杀害怎么办呢？因而到了要报个平安。
如果过一段时间还是没到，发送端的TCP层会重新发送这个包，还是上面的过程，直到有一天收到平安到达的回复。这个重试绝非你的浏览器重新将下单这个动作重新请求一次。对于浏览器来讲，就发送了一次下单请求，TCP层不断自己闷头重试。除非TCP这一层出了问题，例如连接断了，才轮到浏览器的应用层重新发送下单请求。
当网络包平安到达TCP层之后，TCP头中有目标端口号，通过这个端口号，可以找到电商网站的进程正在监听这个端口号，假设一个Tomcat，将这个包发给电商网站。
电商网站的进程得到HTTP请求的内容，直到了要买东西，买多少。往往一个电商网站最初接待请求的这个Tomcat只是个接待员，负责统筹处理这个请求，而不是所有的事情都自己做。例如，这个接待员要告诉专门管理订单的进程，登记要买某个商品，买多少，要告诉管理库存的进程，库存要减少多少，要告诉支付的进程，应该付多少钱，等等。
如何告诉相关的进程呢？往往通过RPC调用，即远程过程调用的方式来实现。远程过程调用就是当告诉管理订单进程的时候，接待员不用关心中间的网络互联问题，会由RPC框架统一处理。RPC框架有很多种，有基于HTTP协议放在HTTP报文里面的，有直接封装在TCP报文里面的。
当接待员发现相应的部门都处理完毕，就回复一个HTTPS的包，告知下单成功。这个HTTPS的包，会像来的时候一样，经过千难万险到达你的个人电脑，最终进入浏览器，显示支付成功。
问题：
mac地址是唯一的，为什么可以修改？
想想身份证是唯一的，不能改变的，但是可以造假。mac地址全球唯一，它是固化在网卡里的。网卡毕竟是个硬件，需要软件支持，即操作系统识别。充电来了。操作系统识别出来的mac地址是可以改变的，它只不过是一个字符串。我们常说的修改mac指的是修改电脑中记录的注册表中的记录。
有了mac地址为什么有ip地址？
举个例子，身份证号是你的唯一标识，不会重复，一落户就有（网卡一出厂就有mac）。现在我要和你通信（写信给你），地址用你的姓名 + 身份证，信能送到你手上吗?明显不能，身份证前六位能定位你出身的县。mac地址前几位也可以定位生产厂家。但是你出生后会离开这个县（哪怕在这个县，也不能具体找到你）。所以一般写个人信息就要有出生地和现居住地了。
网络分层的真实含义是什么？
这四个问题你真的懂了吗？
因为教科书或者老师往往会打一个十分不恰当的比喻：为什么网络要分层？因为不同的层次之间有不同的沟通方式，这个叫做协议。例如，一家公司也是分“层次”的，分总经理、经理、组长、员工。总经理之间有他们的沟通方式，经理和经理之间也有沟通方式，同理组长和员工。有没有听过类似的比喻？
那么第一个问题来了，请问经理在握手的时候，员工在干什么？很多人听过TCP建立连接的三次握手协议，也会把它当知识点背诵。同理问你，TCP在进行三次握手的时候，IP层和MAC层对应有什么操作呢？
除了上面这个不恰当的比喻，教科书还会列出每个层次所包含的协议，然后开始逐层地去讲这些协议。但是这些协议之间的关系呢？
学习第三层的时候会提到，IP协议包含目标地址和源地址。第三层里往往还会学习路由协议。路由就像中转站，我们从原始地址A到目标地址D，中间经过两个中转站A -> B -> C -> D，是通过路由转发的。
那么第二个问题来了，A知道自己的下一个中转站是B，那从A发出来的包，应该把B的IP地址放在哪里？B知道自己的下一个中转站是C，从B发出来的包，应该把C的IP地址放在哪里呢？如果放在IP协议中的目标地址，那包到了中转站，怎么知道最终的目的地址是D呢？
再问一个问题。你一定经常听说二层设备、三层设备。二层设备处理的通常是MAC层的东西。那我发送要给HTTP的包，是在第七层工作的，那是不是不需要要经过二层设备？或者即便经过了，二层设备也不处理呢？或者换一种问法？二层设备处理的包里，有没有HTTP层的内容？
最终，我想问你一个综合的问题。从你的电脑。通过SSH登录到共有云主机里面，都需要经历哪些过程？或者说你打开一个电商网站，都需要经历哪些过程？
网络为什么要分层？
因为，是个复杂的程序都要分层。
理解计算机网络中的概念，一个很好的角度是，想象网络包就是一段Buffer，或者一块内存，是有格式的。同时，想象自己是一个处理网络包的程序，而且这个程序可以跑在电脑上，可以跑在服务器上，可以跑在交换机上，也可以
跑在路由器上。你想象自己有很多的网口，从某个口拿进一个网络包来，用自己的程序处理一下，再从另一个网口发送出去。
当然网络包的格式很复杂，这个程序也很复杂。复杂的程序都要分层，这是程序设计的要求。比如，复杂的电商还会分数据库层、缓存层、Compose层、Controller层和接入层，每一层专注做本层的事情。
程序是如何工作的？
我们可以简单地想象“你”这个程序的工作过程。
当一个网络包从一个网口经过的时候，你看到了，首先先看看要不要请进来，处理一把。有时网口配置了混杂模式，凡是经过的，全部拿进来。
拿进来以后，就要交给一段程序来处理。于是，你调用process_layer2(buffer)。当然，这是一个假的函数。但是你明白其中的意思，知道肯定是有这个函数的。那这个函数是干什么的呢？从Buffer中，摘掉二层的头，看一看，应该根据头里面的内容做什么操作。
假设你发现这个包的MAC地址和你的相符，那说明就是发给你的，于是需要调用process_layer3(buffer)。这个时候，buffer里面往往就没有二层的头了，因为已经在上一个函数的处理过程中拿掉了，或者将开始的偏移量移动了一下。在这个函数里面，摘掉三层头，看看到底是发送给自己的，还是希望自己转发出去的。
如何判断？如果IP地址不是自己的，那就应该转发出去；如果IP地址是自己的，那就发送给自己。根据IP头里面的标识，拿掉三层的头，进行下一层的处理，到底是调用process_tcp(buffer)呢，还是调用process_udp(buffer)呢？
假设这个地址是TCP的，则会调用process_tcp(buffer)，这个时候，Buffer里面没有三层头，就需要查看四层的头，看这是一个发起，还是一个应答，又或者是一个正常的数据包，然后分别由不同的逻辑进行处理。如果是发起或者应答，接下来可能要发送一个回复包；如果是一个正常的数据包，就需要交给上层了。交给谁呢？是不是由process_http(buffer)函数呢？
没有的，如果你是一个网络包处理程序，你不需要由process_http(buffer)，而是应该交给应用去处理。交给哪个应用呢？在四层的头里面有端口号，不同的应用监听不同的端口号。如果发现浏览器应用在监听这个端口，那你发给浏览器就行了。值与浏览器怎么处理，和你没有关系。
浏览器自然是解析HTML，显示处页面来。电脑的主人看到页面很开心，就点了鼠标。点击鼠标的动作被浏览器捕获。浏览器知道，又要发起另一个HTTP请求了，于是使用端口号，就请求发给了你。
你应该调用send_tcp(buffer)。不用说，Buffer里面就是HTTP请求的内容。这个函数里面加一个TCP的头，记录下源端口号。浏览器会给你目的端口号，一般为80端口。
然后调用send_layer3(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容，以及TCP的头。在这个函数里面加一个IP的头，记录源IP的地址和目标IP的地址。
然后调用send_layer2(buffer)。Buffer里面已经有了HTTP的头和内容、TCP的头、以及IP的头。这个函数里面要加一个MAC的头，记录下源MAC地址，得到的就是本机器的MAC地址和目标的MAC地址。不过，这个还要看当前知道不知道，知道就直接加上；不知道的话，就要通过一定的协议处理过程，找到MAC地址。反正要填一个，不能空着。
万事具备，只要Buffer里面的内容完整，就可以从网口发出去了，你作为一个程序员的任务就算告一段落了。
揭秘层与层之间的关系
知道了这个过程之后，我们再来看一个原来困惑的问题。
首先是分层的比喻。所有不能表示处层层封装含义的比喻，都是不恰当的。总经理握手，不需要员工在吧，总经理之间谈什么，不需要员工参与吧，但是网络世界不是这样的。正确的应该是，总经理之间沟通的时候，经理讲总经理放在自己兜里，然后组长把经理放自己兜里，员工把组长放自己兜里，像套娃娃一样。那员工直接沟通，不带上总经理，就不恰当了。
现实生活中，往往是员工说一句，组长补充两句，然后经理补充两句，最后总经理再补充两句。但是在网络世界，应该是总经理说话，经理补充两步，组长补充两步，员工再补充两句。
那TCP在三次握手的时候，IP层和MAC层在做什么呢？当然是TCP发送每一个消息，都会带着IP层和MAC层了。因为，TCP每发送一个消息，IP层和MAC层的所有机制都要运行以便。而你只看到TCP三次握手了，其实，IP层和MAC层为此忙活好久了。
这里要记住一点：只要是在网络上跑的包，都是完整的。可以有下层每上层，绝对不可能有上层没下层。
所以，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。
经常有人会问这样一个问题，我都知道那台机器的IP地址，直接发给他消息呗，要MAC地址干什么?这里的关键就是，没有MAC地址消息是发不出去的。
所以如果一个HTTP协议的包在网络上，它一定是完整的。无论这个包经过哪些设备，它都是完整的。
所谓的二层设备、三层设备，都是这些设备上跑的程序不同而已。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。
ifconfig：最熟悉又陌生的命令行
Linux查看IP地址有什么命令吗？答案是ip addr和ifconfig。
那你知道ifconfig和ip addr的区别吗？
想象一下，你登录进入一个被裁剪过的非常下的Linux系统中，发现即没有ifconfig命令，也没有ip addr命令，你是不是感觉这个系统压根没法用？这个时候，你可以自行安装net-tools和iprote2这两个工具。当然，大多数时候这两命令是系统自带的。
安装好后，我们来运行一个ip addr。不出意外，应该输出下面的内容。
root@test:~# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
这个命令显示了这台机器上所有的网卡。大部分的网卡都会有一个IP地址，当然，这不是必须的。
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。既然是门牌号码，不能大家都一样，不然就会起冲突。比方说，假如大家都叫六单元1001号，那快递就找不到地方了。所以，有时候咱们的电脑弹出网络地址冲突，出现上不去网的情况，多半是IP地址冲突了。
如上输出的结果，10.100.122.2就是一个IP地址，这个地址被点分割为四个部分，每个部分8个bit，所以IP地址总共是32位。这样产生的IP地址的数量很快就不够用了。因为当时设计IP地址的时候，哪知道今天会有这么多计算机啊！因为不够用，于是就有了IPv6，也就是上面输出结果里面inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64。这个有1228位，现在看来是够了，但是未来的事情谁知道呢？
本来32位的IP地址就不够，还被分成了5类。现在想象，当时分配地址的时候，真是太奢侈了。
在网络中，至少在当时设计的时候，对于A、B、C类主要分两部分，前面一部分是网络号，后面一部分是主机号。这很好理解，大家都是六单元1001号，我是小区A的六单元1001号，而你的小区B的六单元1001号。
下面这个表格，详细地展示了A、B、C三类地址所能包含的主机的数量。
这里面有个尴尬的事情，就是C类地址能包含的最大逐级数量是在太少了，只有254个。当时设计的时候恐怕没想到，现在估计一个网吧都不够用吧。而B类地址能包含的最大主机数量又太多了，6万多台机器放在同一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。
无类型域间选路（CIDR）
于是有了一个折中的方式叫做无类型域间选路，简称CIDR。这种方式打破了原来设计的几类地址的做法，将32位的IP地址一分为二，前面是网络号，后面是主机号。从哪里分呢？你如果注意观察的话可以看到，10.100.122.2/24，这个IP地址中有一个斜杠，斜杠后面有个数字24.这种地址表示形式，就是CIDR。后面24的意思是，32位中，前24位是网络号，后8位是主机号。
伴随着CIDR存在的，一个是广播地址，10.100.122.255。如果发送这个地址，所有10.100.122网络里面的机器都可以收到。另一个是子网掩码，255.255.255.0。
将子网掩码和IP地址进行AND计算。前面三个255，转成二进制都是1。1和任何数值取AND，都是原来数值，因而前三个数不变，为10.100.100。后面一个0，转成二进制是0，0和任何数值取AND，都是0，因而最后一个数变为0，合起来就是10.100.122.0。这就是网络号。将子网掩码和IP地址按位计算AND，就可得到网络号。
公有IP地址和私有IP地址
在日常的工作中，几乎不用划分A类、B类或者C类，所以时间长了，很多人就忘记了这个分类，而只记得CIDR。但是有一点还是要注意的，就是公有IP地址和私有IP地址。
我们继续看上面的表格。表格最右列是私有IP地址段。平时我们看到的数据中心里，办公室、家里或者学校的IP地址，一般都是私有IP地址段。因为这些地址允许组织内部的IT人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，你学校的某个私有IP地址段和我学校的可以是一样的。
这就像每个小区有自己的楼编号和门牌号，你们小区可以叫6栋，我们小区也叫6栋，没有任何问题。但是一旦除了小区，就需要使用公有IP地址。就像人民路888号，是国家统一分配的，不能两个小区都叫人民路888号。
共有IP地址有个组织统一分配，你需要去买。如果你搭建一个网络，给你学校的人使用，让你们的IT人员给你一个IP地址就行。但是假如你要做一个类似网易163这样的网站，就需要有共有IP地址，这样全世界的人才能访问。
表格中的192.168.0.x是最常用的私有IP地址。你家里有Wi-Fi，对应就会有一个IP地址。一般你家里地上网设备不会超过256个，所以/24基本就够了。有时间我们也能见到/16的CIDR，这两种是最常见的，也是最容易理解的。
不需要将十进制转换为二进制32位，就能明显看出192.168.0是网络号，后面是主机号。而整个网络里面的第一个地址192.168.0.1，往往就是你这个私有网络的出口地址。例如，你家里的电脑连接Wi-Fi，Wi-Fi路由器的地址就是192.168.0.1，而192.168.0.255就是广播地址。一旦发送这个地址，整个192.168.0网络里面的所有机器都能收到。
但是也不总都是这样的情况。因此，其他情况往往就会很难理解，还容易出错。
举例：一个容易“犯错”的CIDR
我们来看16.158.165.91/22这个CIDR。求一下这个网络的第一个地址、子网掩码和广播地址。
你要是上来就写16.158.165.1，那就大错特错了。
/22不是8的整数倍，不好办。只能先变成二进制来看。16.158的部分不会动，它占了前16位。中间的165，变为二进制位10100101。除了前面的16位，还剩6位。所以，这8位中前6位是网络号，16.128.<101001>，而<01>.91是机器号。
第一个地址是16.158.<101001><00>.1，即16.158.164.1。子网掩码是255.255.<111111><00>.0，即255.255.252.0。广播地址为16.158.<101001><11>.255，即16.158.167.255。
这五类地址中，还有一类D类是组播地址。使用这一类地址，属于某个组的机器都能收到。这有点类似在公司里面大家都加入了一个邮件组。发送邮件，加入这个组都能收到。组播地址在后面讲述VXLAN协议的时候会提到。
讲了这么多，才讲了上面的输出结果中很小的一部分，是不是觉得原来并没有真的理解ip addr呢？我们接着来分析。
在IP地址的后面有个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loopback，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。
MAC地址
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。
MAc地址是一个很容易让人“误解”的地址。因为MAC地址号称全局唯一，不会有两个网卡有相同的MAC地址，而且网卡自生产出来，就带着这个地址。很多人看到这里就会想，既然这样，整个互联网的通信，全部用MAC地址好了，只要知道了对方的MAC地址，就可以把信息传过去。
这样当然是不行的。一个网络要从要给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。而有门牌号码属性的IP地址，才是有远程定位功能的。
例如，你去杭州市网商路599号B楼6层找刘超，你在路上问路，可能被问的人不知道B楼是哪个，但是可以给你指网商路怎么去。但是如果你问一个人，你知道这个身份证号的人在哪里呢？可想而知，没有人知道。
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。
MAC地址是由一定定位功能的，只不过范围非常有限。你可以根据IP地址，找到杭州网商路599号B楼6层，但是依然找不到我，你就可以靠吼了，大声吼身份证XXXX的是哪位？我听到了，我就会站起来说，是我啊。但是如果你在上海，到处喊身份证XXXX的是哪位，我不在现场，当然不会回答，因为我在杭州不在上海。
所以，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192.168.0.03/24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地址就不行了，需要IP地址起作用了。
网络设备的状态标识
解析完了MAC地址，我们再来看<BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>是干什么的？这个叫做net_device flags，网络设备的状态标识。
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_UP表示L1是启动的，也即网线插着呢。MTU1500是指什么意思呢？是哪一层的概念呢？最大传输单元MTU为1500，这是以太网的默认值。
上一节，我们讲过网络包是层层封装的。MTU是二层MAC层的概念。MAC层有MAC的头，以太网规定连MAC头带正文合起来，不允许超过1500个字节。正文里面有IP的头、TCP的头、HTTP的头。如果放下下，就需要分片来传输。
上一节，我们讲过网络包是层层封装的。MTU是二层MAC层的概念。MAC层有MAC的头，以太网规定连MAC头带正文合起来，不允许超过1500个字节。正文里面有IP的头、TCP的头、HTTP的头。如果放不下，就需要分片来传输。
qdisc pfifo_fast是什么意思呢？qdisc全程是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之间也是一样的。
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有级别的，还是低优先级的。
DHCP与PXE：IP是怎么来的，又是怎么没的？
如何配置IP地址？
那如何配置呢？如果有相关的只是和积累，你可以用命令行自己配置一个地址。可以使用ifconfig，也可以使用ip addr。设置好了以后，用这两个命令，将网卡up一下，就可以开始工作了。
使用net-tools：
$ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24
$ sudo ifconfig eth1 up
使用iprote2：
$ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
$ sudo ip link set up eth1
你可能会问了，自己配置这个自由度太大了吧，我是不是配置什么都可以？如果配置一个和谁都不搭边的地址呢？例如，旁边的机器都是192.138.1.x，我非得配置一个16.158.23.6，会出现什么现象呢？
不会出现任何现象，就是包发不出去呗。为什么发不出去呢？我来举例说明。
192.168.1.6就在你这台机器的旁边，甚至是在同一个交换机上，而你把机器的地址设为了16.158.23.6。在这台机器上，你企图去ping 192.168.1.6，你觉得只要将包发出去，同一个交换机的另一台机器马上就能收到，对不对？
可以Linux系统不是这样的，它没你想得那么智能。你用肉眼看到那台机器就在旁边，它则需要根据自己的逻辑进行处理。
还记得之前说过的原则吗？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。
所以，你看着它有自己的源IP地址16.158.23.6，也有目标IP192.168.1.6，但是包发不出去，这是因为MAC层还没填写。
自己的MAC地址自己知道，这个容易。但是目标MAC填什么呢？是不是填192.168.1.6这台机器的MAC地址呢？
当然不是。Linux首先会判断，要去的这个地址和我是一个网段的吗，或者和我的一个网卡是同一网段的吗？只有是一个网段的，它才会发送ARP请求，获取MAC地址。如果发现不是呢？
Linux默认的逻辑是，如果这是一个跨网段的调用，它便不会直接将包发送到网络上，而是 企图将包发送到网关。
如果你配置了网关的话，Linux会获取网关的MAC地址，然后将包发出去。对于192.168.1.6这台机器来讲，虽然路过它家门的这个包，目标IP是它，但是无奈MAC地址不是它的，所以它的网卡是不会把包收进去的。
如果没有配置网管呢？那包压根就发不出去。
如果将网关配置为192.68.1.6呢？不可能，Linux不会让你配置城关，因为网关要和当前的网络至少一个网卡是同一个网段的，怎么可能16.158.23.6的网关是192.168.1.6。
所以，当你需要手动配置一台机器的网络IP时，一定要好好问问你的网络管理员。如果在机房里面，要去网络管理员哪里申请，让他给你分配一段正确的IP地址。当然，真正配置的时候，一定不是直接用命令配置的，而是放在一个配置文件里面。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。
动态逐级配置协议（DHCP）
原来配置IP有这么多门道啊。你可能会问了，配置了IP之后一般不能变的，配置一个服务端的机器还可以，但是如果时客户端的机器呢？我抱着一台笔记本电脑在公司走来走去，或者白天来晚上走，每次使用都要配置IP地址，那可怎么办？还有认识、行政等非技术人员，如果公司所有的电脑都需要IT人员配置，肯定忙不过来啊。
因此，我们需要有一个自动配置的协议，也就是动态逐级配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），简称DHCP。
有了这个协议，网络管理员就轻松多了。他只需要配置一段共享的IP地址。没一台新接入的机器都通过DHCP协议，来这个共享的IP地址里申请，然后自动配置好就可以了。等人走了，或者用完了，还回去，这样其他的机器也能用。
所以说，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。
解析DHCP的工作方式
当一台机器新假如一个网络的时候，肯定一脸懵，啥情况都不知道，只知道自己的MAC地址。怎么办？先吼一句，我来啦，有人吗？这个时候的沟通基本靠“吼”。这一步，我们称为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。
在这个广播包里面，新人大声喊：我是新来的（boot request），我的MAC地址是这个，我还没有IP，谁能给租给我个IP地址！
格式就像这样：
如果一个网络管理员在网络里面配置了DHCP Server的话，他就相当于这些IP的管理员。他立刻能知道来了一个“新人”。这个时候，我们可以体会MAC地址唯一的重要性了。当一台机器带着自己的MAC地址假如一个网络的时候，MAC是它唯一的身份，如果连这个都重复了，就没办法配置了。
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。
DHCP Offer的格式就像这样，里面有给新人分配的地址。
DHCP Server仍然使用广播地址作为目的地址，因为，此时请求分配IP的新人还没有自己的IP。DHCP Server回复说，我分配了一个可用的IP给你，你看如何？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。
新来的机器很开心，它的“吼”得到了回复，并且有人愿意租给它一个IP地址了，这意味着它可以在网络上立足了。当然更令人开心的是，如果有多个DHCP Server，这台新机器会收到多个IP地址，简直受宠若惊。
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