一、IPv4 基础
IPv4 地址一共 32 位，也就是 4 字节，平时写成点分十进制的形式，例如 192.168.1.1。 IP 地址由网络号 + 主机号两部分构成。 网络号用来标识网段，同一个局域网里所有主机的网络号都一样；主机号用来区分同一个网段内不同的设备。 子网掩码的作用，就是区分哪些比特属于网络号，哪些属于主机号。
网段里有两个特殊 IP 不能分配给主机使用：
- 网络地址：主机号全部为 0，代表整个网段本身。例子：192.168.1.0/24
- 广播地址：主机号全部为 1，发给这个地址的数据包，网段内所有主机都会接收。例子：192.168.1.255/24
二、公网 IP、私网 IP 与 NAT
IPv4 的地址总量有限，全世界设备数量远远多于 IPv4 能提供的独立地址，于是就有了私网地址方案。 公网 IP（外网 IP）：全球唯一，可以直接在互联网路由访问，由运营商分配。 私网 IP（内网 IP）：IANA 预留的专用地址段，只在局域网内部生效，互联网不能直接路由。不同局域网可以重复使用同一套私网地址。
私网的三段地址： 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
依靠 NAT（网络地址转换），路由器会把内网设备的 IP 加端口，映射成路由器的公网 IP 加端口，实现多台内网设备共用一个公网 IP 上网。
三、IP 地址动态分配 DHCP
局域网主机获取 IP 有两种方式：
- 动态分配（DHCP）：主机开机后向 DHCP 服务器（一般就是路由器）申请 IP，服务器临时分配地址并设置租期，租期到期需要续租。家用网络默认都是 DHCP 动态获取。
- 静态 IP：手动在设备上填写固定 IP，地址不会自动变化，一般用于服务器。
四、IPv6
IPv6 是 IPv4 的下一代 IP 协议，用来解决 IPv4 地址不够用的问题。 地址长度是 128 位，16 字节，地址数量极其庞大，可以给每台设备分配独立公网 IP，基本不需要 NAT。 写法是冒分十六进制，支持用：：压缩连续的 0，示例：2001:db8::1
关键特点：
- 没有广播地址，一对多通信改用组播；
- 支持 SLAAC 自动配置，设备可以自己生成 IP，不一定需要 DHCP；
- 自带安全特性，头部结构更简单，路由器转发速度更快。
简单分类： 单播：一对一通信 组播：一对多通信 链路本地地址（fe80 开头）：仅在局域网内可用
五、DNS 域名解析系统
电脑通信只识别 IP 地址，但人类很难记住一长串数字 IP，DNS 就是用来解决这个问题的。
DNS（域名系统）核心作用：完成域名和 IP 地址之间的翻译。 比如访问www.baidu.com，DNS 会把这个域名翻译成对应的 IP 地址，主机拿到 IP 之后，才可以发起网络请求。
DNS 缓存
DNS 缓存就是把已经查询过的「域名 - IP」映射关系临时保存起来，避免每次访问都重新查询 DNS 服务器，加快访问速度。 缓存存在多个层级：
- 浏览器缓存：浏览器内部保存解析记录；
- 操作系统缓存：Windows、Linux 等系统本地缓存；
- DNS 服务器缓存：DNS 服务器自己也会缓存查询结果。 每条缓存记录都有 TTL（生存时间），时间到期就会自动失效，需要重新查询。
DNS 镜像服务器
镜像服务器，也叫 DNS 副本服务器。它会定时同步主 DNS 服务器上全部域名解析数据。 作用：分担主服务器的查询压力，实现负载均衡；同时起到备份作用，如果主 DNS 故障，镜像服务器可以继续提供解析服务。很多公共 DNS、运营商 DNS 都会部署大量镜像节点。
简要解析流程：
- 浏览器或者操作系统先查询本地 DNS 缓存，看之前有没有保存这个域名对应的 IP；
- 缓存找不到，就向配置好的 DNS 服务器发送查询请求；
- DNS 服务器先查自身缓存，没有则逐级查询（向根、顶级域、权威服务器查询）；
- 查询到结果后，DNS 服务器返回 IP，同时把这条记录存入自己的缓存；
- 本机拿到 IP，开始和目标服务器通信。
两种查询方式： 递归查询：客户端只发一次请求，DNS 服务器帮你查到最终结果并返回。 迭代查询：DNS 服务器返回下一级域名服务器地址，客户端继续向下查询。
常用记录类型： A 记录：域名映射到 IPv4 地址 AAAA 记录：域名映射到 IPv6 地址 CNAME：域名别名，将一个域名指向另一个域名
六、IP 地址（三层）与 MAC 物理地址（二层）
这是网络里很容易混淆的知识点，二者处在不同层级，负责的工作不一样。 IP 地址属于网络层（三层），负责端到端通信。标记通信两端的主机，数据包跨路由器转发时，源 IP、目的 IP 全程保持不变，IPv4 和 IPv6 都遵守这个规则。 MAC 地址属于数据链路层（二层），负责一跳一跳的链路转发。48 位，固化在网卡硬件中，只在同一个局域网内生效。数据包每经过一台路由器，以太网帧里面的源 MAC、目的 MAC 都会重新改写。
一句话记忆：IP 负责从起点主机找到终点主机；MAC 负责在当前网段找到下一跳设备。
七、以太网数据帧与MTU
以太网是局域网最常用的数据链路层协议，上层的 IP 数据包（IPv4 或者 IPv6）会被封装进以太网帧。
以太网帧核心头部结构：目的 MAC 地址 | 源 MAC 地址 | 类型字段 | 数据 (IP 包) | FCS 校验 目的 MAC：当前链路下一跳网卡地址 源 MAC：当前发送方网卡地址 类型字段：标识上层协议，0x0800 代表 IPv4，0x86DD 代表 IPv6 FCS：帧校验序列，接收方用来检测帧在传输过程中有没有出错
MTU，最大传输单元，指一条链路单次能够传输的最大数据部分长度（不包含以太网帧头）。以太网默认 MTU 为 1500 字节。 当 IP 包大小超过链路 MTU 时，IPv4 会对数据包进行分片，拆成多个小包传输，到达目的地之后再重组。 IPv6 不允许路由器分片，只能由源主机提前检测路径 MTU，自行拆分数据包。 如果不分片又超过 MTU，数据包会被丢弃，返回错误。
小结
IPv4 地址短缺催生了私网 IP 加 NAT 技术；IPv6 拥有超大地址空间，不再依赖 NAT，没有广播，支持 IP 自动配置。 DNS 负责域名和 IP 的翻译。DNS 缓存用来加速解析，TTL 控制缓存有效期；DNS 镜像服务器同步主服务器数据，分担压力并做灾备。 IP 在网络层负责端到端寻址，MAC 在链路层负责局域网单跳转发。数据包传输过程中，IP 包头全程不变，二层以太网帧头部在每经过一台路由器时更新。 IPv4 依靠网络号主机号划分网段，网络地址与广播地址是网段内两个不能分配的特殊地址；DHCP 实现 IPv4 内网 IP 动态分配，IPv6 支持 SLAAC 自动配置。