printf複習

當我們寫printf("%d\n", 1);的時候，printf函數並不能通過C語言語法得知第二個參數是int類型。printf是一個變參函數（variadic function）：

int printf(const char *restrict format, ...);

參數的類型都是通過格式串format推導出的。如果參數類型與格式串中指定的不匹配，或提供的參數數量少於需要的，將導致未定義行為。

由於參數類型是動態的，printf和scanf比靜態類型的std::cout和std::cin慢，前提是後者的眾多overhead被手動消除。

C為可變參數提供了va_start、va_arg、va_copy、va_end、va_list等工具，定義在頭文件<stdarg.h>中。va_arg用於取出參數，va_copy用於拷貝參數供多次使用。引用cppreference上的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include <math.h>
 
double sample_stddev(int count, ...) 
{
    /* Compute the mean with args1. */
    double sum = 0;
    va_list args1;
    va_start(args1, count);
    va_list args2;
    va_copy(args2, args1);   /* copy va_list object */
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        double num = va_arg(args1, double);
        sum += num;
    }
    va_end(args1);
    double mean = sum / count;
 
    /* Compute standard deviation with args2 and mean. */
    double sum_sq_diff = 0;
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        double num = va_arg(args2, double);
        sum_sq_diff += (num-mean) * (num-mean);
    }
    va_end(args2);
    return sqrt(sum_sq_diff / count);
}
 
int main(void) 
{
    printf("%f\n", sample_stddev(4, 25.0, 27.3, 26.9, 25.7));
}

<stdio.h>還定義了vprintf系列函數，與不帶v的相比，可變參數...都換成了va_list的實例：

int vprintf(const char *format, va_list vlist);

可以藉此實現自己的printf。

可變參數在傳遞的過程中會被執行默認參數提升（default argument promotion），對於整數類型執行整數提升（提升為int或unsigned int），對於float類型提升成double。

格式串format中的普通字符直接拷貝到輸出流，由%引導的稱為轉換格式（conversion specification），在%和轉換說明符（conversion specifier）之間可以有若干修飾符，實現對齊、精度等功能，轉換說明符有c、s、d、f等，詳見cppreference。

UART實現

單片機開發板並沒有可以用於輸出的控制台，printf調用最後都會歸結為_write函數：

int _write(int file, char* ptr, int len);

_write函數需要把ptr指向的len字節的數據以想要的形式發送，在此就沿用上一篇中的UART異步IO，於是printf就可以打印在串口上了。

為了方便日後使用，我把USART相關的代碼抽離出來放在一個新的源文件里，IDE生成的代碼去掉MX_USART1_UART_Init和USART1_IRQHandler兩個函數，再加上這一對文件就可以使用了。

usart1.h：

#include <stdio.h>

void MX_USART1_UART_Init();
void usart1_transmit(char c);
char usart1_receive();

usart1.c：

#include "usart1.h"

#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include "cmsis_gcc.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

typedef char queue_element_t;

typedef struct
{
  uint16_t mask;
  uint16_t head;
  uint16_t tail;
  queue_element_t data[0];
} queue_t;

static inline queue_t* queue_create(uint16_t _size)
{
  if (_size & (_size - 1))
    _size = 256;
  queue_t* q = malloc(sizeof(queue_t) + _size * sizeof(queue_element_t));
  if (q)
  {
    q->mask = _size - 1;
    q->head = q->tail = 0;
  }
  return q;
}

static inline bool queue_empty(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->head == _queue->tail;
}

static inline uint16_t queue_size(const queue_t* _queue)
{
  return (_queue->tail - _queue->head) & _queue->mask;
}

static inline uint16_t queue_capacity(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->mask;
}

static inline queue_element_t queue_peek(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->data[_queue->head];
}

static inline void queue_push(queue_t* _queue, const queue_element_t _ele)
{
  _queue->data[_queue->tail] = _ele;
  _queue->tail = (_queue->tail + 1) & _queue->mask;
}

static inline void queue_pop(queue_t* _queue)
{
  _queue->head = (_queue->head + 1) & _queue->mask;
}

extern UART_HandleTypeDef huart1;
extern void Error_Handler();
queue_t* tx_buffer;
queue_t* rx_buffer;

void USART1_IRQHandler()
{
  uint32_t isrflags   = USART1->SR;
  uint32_t cr1its     = USART1->CR1;
  uint32_t errorflags = 0x00U;
  errorflags = (isrflags & (uint32_t)(USART_SR_PE | USART_SR_FE | USART_SR_ORE | USART_SR_NE));
  if (errorflags == RESET)
  {
    if (((isrflags & USART_SR_RXNE) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_RXNEIE) != RESET))
    {
      queue_push(rx_buffer, USART1->DR);
      return;
    }
    if (((isrflags & USART_SR_TXE) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_TXEIE) != RESET))
    {
      USART1->DR = queue_peek(tx_buffer);
      queue_pop(tx_buffer);
      if (queue_empty(tx_buffer))
        USART1->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE & UART_IT_MASK;
      return;
    }
  }
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

void MX_USART1_UART_Init()
{
  tx_buffer = queue_create(1024);
  rx_buffer = queue_create(1024);
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE & UART_IT_MASK;
}

void usart1_transmit(char c)
{
  uint16_t capacity = queue_capacity(tx_buffer);
  bool ok = false;
  while (1)
  {
    __disable_irq();
    ok = capacity - queue_size(tx_buffer) >= 1;
    if (ok)
      break;
    __enable_irq();
    __NOP();
  }
  queue_push(tx_buffer, c);
  USART1->CR1 |= USART_CR1_TXEIE & UART_IT_MASK;
  __enable_irq();
}

char usart1_receive()
{
  bool ok = false;
  while (1)
  {
    __disable_irq();
    ok = !queue_empty(rx_buffer);
    if (ok)
      break;
    __enable_irq();
    __NOP();
  }
  char c = queue_peek(rx_buffer);
  queue_pop(rx_buffer);
  __enable_irq();
  return c;
}

int _write(int file, char* ptr, int len)
{
  for (int i = 0; i != len; ++i)
    usart1_transmit(*ptr++);
  return len;
}

main.c（部分）：

#include "main.h"
#include "usart1.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t count = 0;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  while (1)
  {
    printf("Hello world: %d\n", count);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    ++count;
    HAL_Delay(500);
  }
}

ITM實現

明明已經用調試器連接了開發板和電腦，還要加個USB轉串口工具就顯得很累贅；IDE和串口監視器兩個窗口的頻繁切換也讓Alt和Tab鍵損壞的幾率增加了幾成。有沒有辦法讓開發板通過調試器和IDE就能輸出呢？

可以用ARM的ITM（Instrumentation Trace Macroblock），通過TRACESWO發送。SWO與JTAG的JTDIO是同一個引腳，用標準ST-LINK的20-pin排線可以連接，但是10-pin的簡版ST-LINK沒有引出SWO，因此要使用ITM調試不能用簡版的4線接法。

ITM無需初始化，直接調用ITM_SendChar函數即可發送，該函數定義在\Drivers\CMSIS\Include\core_cmx.h中。ITM版的_write函數，不過是把usart1_transmit換成ITM_SendChar而已。

#include "main.h"
#include <stdio.h>

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int _write(int file, char* ptr, int len)
{
  for (int i = 0; i != len; ++i)
    ITM_SendChar(*ptr++);
  return len;
}

uint8_t count = 0;

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  while (1)
  {
    printf("Hello world: %d\n", count);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    ++count;
    HAL_Delay(500);
  }
}

為了在IDE中看到printf輸出的內容，需要做幾步配置。首先進入Debug模式，在調試選項的Debugger頁啟用SWV：

找到SWV ITM Data Console窗口：

窗口右上角Configure trace，勾選Port 0：

點擊Start Trace。這樣就可以看見printf的輸出了：

雜記

好久沒更博客了。這兩周一直在做搖搖棒，硬件軟件交替着改，總算是做出一個比較穩定的显示效果了。計劃本月再更兩篇。

有一次下載器與搖搖棒的連接有鬆動，數據傳輸錯誤，導致熔絲位被修改，時鐘源選擇了不存在的，程序無法啟動，也無法下載新的程序。還好我帶着這塊STM32開發板，在一個引腳上產生一個較高頻率的方波，連接到單片機的晶振引腳，改回熔絲位，算是把單片機救活了。本來STM32開發板帶着是要寫這篇printf的，博客沒寫，倒是有救場的用途。

與printf相對的scanf，我也嘗試過實現，但是有兩個問題，一是我沒有找到在STM32CubeIDE中如何通過ITM向單片機發送，二是_read函數的len參數總是1024，這是想讓我一次性讀1024個字節再返回嗎？

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• 內容：原創文章分類匯總，及配套源碼，涉及Java、Docker、K8S、DevOPS等

關於《SpringBoot-2.3容器化技術》系列

《SpringBoot-2.3容器化技術》系列，旨在和大家一起學習實踐2.3版本帶來的最新容器化技術，讓咱們的Java應用更加適應容器化環境，在雲計算時代依舊緊跟主流，保持競爭力；
全系列文章分為主題和輔助兩部分，主題部分如下：

1. 《體驗SpringBoot(2.3)應用製作Docker鏡像(官方方案)》；
2. 《詳解SpringBoot(2.3)應用製作Docker鏡像(官方方案)》；
3. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探針：基礎篇》；
4. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探針：深入篇》；
5. 《掌握SpringBoot-2.3的容器探針：實戰篇》；

• 輔助部分是一些參考資料和備忘總結，如下：

1. 《SpringBoot-2.3鏡像方案為什麼要做多個layer》；
2. 《設置非root賬號不用sudo直接執行docker命令》；
3. 《開發階段，將SpringBoot應用快速部署到K8S》；

SpringBoot容器探針系列文章簡介

為了讓應用更適應容器化環境，SpringBoot2.3版本推出了新的探針技術，《掌握SpringBoot-2.3的容器探針》系列旨在與您一起學習和實踐這些新技術，分為三個階段：

1. 基礎篇：即本文，對容器探針的相關知識點進行梳理和學習；
2. 深入篇：繼續深入學習探針相關的知識點；
3. 實戰篇：將springboot應用部署在kubernetes環境，並使用最新的探針技術；

探針特性的官方信息

• 如下圖紅框所示，2.3版本的容器探針特性早在預覽版(v2.3.0.M4)就已經發布：

• 如今v2.3.0.RELEASE已發布，可以放心的學習和使用該特性了，首先把基礎知識點列出來，確保準備工作OK；

知識點整理

下面是掌握探針技術所需的基礎知識，也是本文的主要內容：

1. kubernetes的存活探針livenessProbe；
2. kubernetes的就緒探針readinessProbe；
3. SpringBoot的actuator；

接下來逐個學習，有了這些知識積累，我們才能更好的閱讀官方資料，開發適合自己業務場景的探針；

kubernetes的存活探針livenessProbe

1. kubernetes的探針涉及的內容是很多的，這裏只提和SpringBoot相關的部分；
2. kubelet 使用存活探針livenessProbe來知道什麼時候要重啟容器；
3. 下圖是kubernetes官網的存活探針示例，幾個關鍵參數已經做了詳細說明：

1. 可見如果我們的SpringBoot應用發布到kubernetes環境，只要應用還健康，livenessProbe對應的地址就要能響應200-400的返回碼；

kubernetes的就緒探針readinessProbe

1. 有時候，應用程序會暫時性的不能提供通信服務。例如，應用程序在啟動時可能需要加載很大的數據或配置文件，或是啟動后要依賴等待外部服務。在這種情況下，既不想殺死應用程序，也不想給它發送請求。Kubernetes 提供了就緒探測器來發現並緩解這些情況。容器所在 Pod 上報還未就緒的信息，並且不接受通過 Kubernetes Service 的流量。
2. 就緒探測器的配置和存活探測器的配置相似，唯一區別就是要使用 readinessProbe字段，而不是 livenessProbe 字段；
3. 簡單的說，就緒探針正常的容器，k8s就認為是可以對外提供服務的，相應的請求也會被調度到該容器上來；

SpringBoot的actuator

1. 簡單來說，actuator是用來幫助用戶監控和操作SprinBoot應用的，這些監控和操作都可以通過http請求實現，如下圖，http://localhost:8080/actuator/health 地址返回的是應用的健康狀態：

1. 下面是常用的actuator地址，訪問不同的地址可以得到不同的信息：

1. 在SpringBoot-2.3版本中，actuator新增了兩個地址：/actuator/health/liveness和/actuator/health/readiness，前者用作kubernetes的存活探針，後者用作kubernetes的就緒探針；

畫外音：SpringBoot的探針技術就這點東西？

1. 文章看到這裏，您可能覺得索然無味：所謂的容器探針特性如此簡單，新增兩個actuator地址留給kubernetes的存活和就緒探針用，只要這兩個地址響應正常，kubernetes就判定該容器正常；
2. 大多數時候，上述結論並無不妥，SpringBoot官方給出的推薦配置如下圖，我們只要照搬即可：

1. 冷靜下來仔細思考，有三個問題似乎沒有解決：

• 首先，SpringBoot為kubernetes提供了兩個actuator項，但是那些並未部署在kubernetes的SringBoot應用呢？用不上這兩項也要對外暴露這兩個服務地址嗎？

• 其次，就緒探針是什麼時候開始返回200返回碼的？應用啟動階段，業務服務可能需要一段時間才能正常工作，就緒探針要是提前返回了200，那k8s就認為容器可以正常工作了，這時候把外部請求調度過來是無法正常響應的，所以搞清楚就緒探針的狀態變化邏輯很重要；

• 最後，也是最重要的一點：有的場景下，例如外部依賴服務異常、本地全局異常等情況下，業務不想對外提供服務，等到問題解決后業務又可以對外提供服務了，如果此時我們能自己寫代碼控制就緒探針的返回碼，那就做到了控制kubernetes是否將外部請求調度到此容器上，這可是個很實用的功能！

還需要繼續深入

面對上述三個問題您是否會感慨：看似簡單的容器探針技術，想要用好還需掌握更多知識，接下來的文章中咱們一起努力吧，從知識覆蓋到實戰操練，終究會掌握這門實用技術；

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#mac和linux上安裝教程一樣的
# 下載
$ wget https://artifacts.elastic.co/downloads/elasticsearch/elasticsearch-7.7.0-darwin-x86_64.tar.gz
$ wget https://artifacts.elastic.co/downloads/elasticsearch/elasticsearch-7.7.0-darwin-x86_64.tar.gz.sha512
$ shasum -a 512 -c elasticsearch-7.7.0-darwin-x86_64.tar.gz.sha512 
#解壓
$ tar -xzf elasticsearch-7.7.0-darwin-x86_64.tar.gz
$ cd elasticsearch-7.7.0/

$ ./bin/elasticsearch

$ curl localhost:9200 #測試命令
{
  "name" : "MacBook-Pro.local",
  "cluster_name" : "elasticsearch",
  "cluster_uuid" : "Z1NxCjE4T6CgTjZmpAVe_A",
  "version" : {
    "number" : "7.7.0",
    "build_flavor" : "default",
    "build_type" : "tar",
    "build_hash" : "81a1e9eda8e6183f5237786246f6dced26a10eaf",
    "build_date" : "2020-05-12T02:01:37.602180Z",
    "build_snapshot" : false,
    "lucene_version" : "8.5.1",
    "minimum_wire_compatibility_version" : "6.8.0",
    "minimum_index_compatibility_version" : "6.0.0-beta1"
  },
  "tagline" : "You Know, for Search"
}

$curl -X PUT 'localhost:9200/user'

$ curl -X GET 'http://localhost:9200/_cat/indices?v'

$curl -X DELETE 'localhost:9200/user'

$ curl -X PUT -H 'Content-Type: application/json' 'localhost:9200/user/_doc/1' -d ' {  "name": "龍躍十二",  "title": "工程師",  "desc": "一個分享互聯網技術和心路歷程的star" }'

$ curl 'localhost:9200/user/_search?pretty=true 

$ curl 'localhost:9200/user/_search?pretty=true'
{
  "took" : 1,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 1,
    "successful" : 1,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 3,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 1.0,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "user",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "1",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "name" : "龍躍十二",
          "title" : "工程師",
          "desc" : "一個分享互聯網技術和心路歷程的star"
        }
      },
      {
        "_index" : "user",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "3",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "name" : "三y",
          "title" : "工程師",
          "desc" : "只有光頭才能變得更強"
        }
      },
      {
        "_index" : "user",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "2",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "name" : "敖丙",
          "title" : "工程師",
          "desc" : "一個互聯網苟且偷生的工具人"
        }
      }
    ]
  }
}

$ curl -X PUT -H 'Content-Type: application/json' 'localhost:9200/user/_doc/2' -d ' {  "name": "敖丙",  "title": "工程師",  "desc": "一個互聯網苟且偷生的工具人" }'

$ curl -X DELETE  'localhost:9200/user/_doc/1'

$ curl -X PUT -H 'Content-Type: application/json' 'localhost:9200/user/_doc/2' -d ' {  "name": "三太子敖丙",  "title": "工程師",  "desc": "一個互聯網苟且偷生的工具人" }'

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網絡層概述

  網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網絡中的數據傳輸和交換技術。如果您想用盡量少的詞來記住網絡層，那就是”路徑選擇、路由及邏輯尋址”。

  網絡層中涉及眾多的協議，其中包括最重要的協議，也是TCP/IP的核心協議——IP協議。IP協議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協議的主要功能有：無連接數據報傳輸、數據報路由選擇和差錯控制。與IP協議配套使用實現其功能的還有地址解析協議ARP、逆地址解析協議RARP、因特網報文協議ICMP、因特網組管理協議IGMP。

IP協議詳解

虛擬互連網絡

  實際的計算機網絡是錯綜複雜的，物理設備通過使用IP協議，屏蔽了物理網絡之間的差異，當網絡中的主機使用IP協議連接時，則無需關注網絡細節。IP協議使得複雜的實際網絡變為一個虛擬互連的網絡，還使得網絡層可以屏蔽底層細節而專註網絡層的數據轉發，IP協議解決了在虛擬網絡中數據報傳輸路徑的問題。

  IP地址長度為32位，常分成4個8位，IP地址常使用點分十進制來表示(0~255.0~255.0~255.0~255)，也就是共有\(2^{32} = 4294961296\)個IP地址。下圖是IP協議的格式：

我們來看看IP協議的首部：

版本：佔4位，指的是IP協議的版本，通信雙方的版本必須一致，當前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
首部位長度：佔4位，最大數值為15，表示的是IP首部長度，單位是“32位字”（4個字節），也即是IP首部最大長度為60字節
總長度：佔16位，最大數值為65535，表示的是IP數據報總長度（IP首部+IP數據）
TTL：佔8位，表明IP數據報文在網絡中的壽命，每經過一個設備，TTL減1，當TTL=0時，網絡設備必須丟棄該報文。作用：避免數據在網絡中無限傳輸，當這個網絡報文找不到目的機器時，而進行無限傳輸，來浪費帶寬資源
協議：佔8位，表明IP數據所攜帶的具體數據是什麼協議的（如：TCP、UDP等）

首部校驗和：佔16位，校驗IP首部是否有出錯

IP協議的轉發流程

  在數據鏈路層的學習中我們知道了MAC地址表，由於IP協議的轉發是通過逐跳(hop-by-hop)來實現的，所以在網絡層中，存在一個類似於MAC地址表的路由表，路由表是存儲的目的IP地址和下一跳IP地址的映射，計算機或者路由器都擁有路由表。路由表如下：

A設備是如何跨設備將數據發送給C設備的呢？

A設備向C設備在網絡層中傳輸數據的過程如下：

1. A發出目的地為C的IP數據報，查詢路由表發現下一跳為E
2. A將數據報發送給E
3. E查詢路由表發現下一跳為F，將數據報發送給F
4. F查詢路由表發現目的地C直接連接，將數據報發送給C

現在結合數據鏈路層和網絡層，再來看一下跨設備傳輸數據的過程：

1. A發出目的地為C的IP數據報，查詢路由表發現下一跳為E
2. A將IP數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址是E
3. 數據鏈路層填充源MAC地址A和目的MAC地址E
4. 數據鏈路層通過物理層將數據發送給E
5. E的數據鏈路層接收到數據幀，把幀數據交給網絡層
6. E查詢路由表，發現下一跳為F
7. E把數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址為F
8. E的數據鏈路層封裝數據幀併發送
9. F的數據鏈路層接收到數據幀，把幀數據交給網絡層
10. F查詢路由表，發現下一跳為C
11. F把數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址為C
12. F的數據鏈路層F封裝數據幀併發送

  從IP協議的轉發流程中我們可以看到：數據幀每一跳的MAC地址都在變化，但IP數據報每一跳的IP地址始終不變。但我們會發現一個問題，在網絡層中將數據報交給數據鏈路層，並且需要告知目的MAC地址，但是在網絡層中只知道IP地址，我們是如何知道目的MAC地址的呢？這就是ARP協議做的事情了。

ARP協議

  ARP(Address Resolution Protocol)地址解析協議，將網絡層中的32位IP地址，通過ARP協議解析為數據鏈路層中的48位MAC地址。這個映射關係是存儲在ARP緩存表中的。arp -a命令：查看ARP緩存表

  ARP緩存表是ARP協議和RARP協議運行的關鍵，ARP緩存表緩存了IP地址到硬件地址之間的映射關係，ARP緩存表中的記錄並不是永久有效的，有一定的期限。這是因為當你的網絡設備，換個網絡環境，網絡設備的IP地址就可能會發生改變，ARP緩存表中的原來的記錄就失效了。當ARP緩存表中有映射關係，就直接查詢ARP緩存表；如果沒有這個映射關係，ARP協議就會廣播，並記錄回應得地址信息。

  RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析協議，其作用與ARP協議相反，即把數據鏈路層中48位MAC地址，解析位網絡層中的32位IP地址。(R)ARP協議是TCP/IP協議棧裏面基礎的協議，ARP和RARP的操作對程序員是透明的，理解(R)ARP協議有助於理解網絡分層的細節。

IP地址的子網劃分

分類的IP地址

特殊的主機號：主機號全0表示當前網絡段，不可分配為特定主機；主機號為全1表示廣播地址，向當前網絡段所有主機發消息

• A類地址網絡段全0(00000000)表示特殊網絡
• A類地址網絡段后7位全1(01111111:127)表示迴環地址
• B類地址網絡段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
• C類地址網絡段(192.0.0)是不可使用的

實際可使用各類IP地址如下：

  127.0.0.1，通常被稱為本地迴環地址(Loopback Address)，不屬於任何一個有類別地址類。它代表設備的本地虛擬接口，所以默認被看作是永遠不會宕掉的接口。在Windows操作系統中也有相似的定義，所以通常在安裝網卡前就可以ping通這個本地迴環地址。一般都會用來檢查本地網絡協議、基本數據接口等是否正常的。

劃分子網

  隨着互連網應用的不斷擴大，原先的IPv4的弊端也逐漸暴露出來，即網絡號佔位太多，而主機號位太少，所以其能提供的主機地址也越來越稀缺，目前除了使用NAT在企業內部利用保留地址自行分配以外，通常都對一個高類別的IP地址進行再劃分，以形成多個子網，提供給不同規模的用戶群使用。這裏主要是為了在網絡分段情況下有效地利用IP地址，通過對主機號的高位部分取作為子網號，從通常的網絡位界限中擴展或壓縮子網掩碼，用來創建某類地址的更多子網。但創建更多的子網時，在每個子網上的可用主機地址數目會比原先減少。

上圖就把原來的C類地址劃分成了兩個子網。
  但子網號這麼多，有沒有辦法快速判斷某個IP的網絡號？這就是子網掩碼的作用了，子網掩碼是標誌兩個IP地址是否同屬於一個子網的，也是32位二進制地址，其每一個為1代表該位是網絡位，為0代表主機位。它和IP地址一樣也是使用點式十進制來表示的。如果兩個IP地址在子網掩碼的按位與的計算下所得結果相同，即表明它們共屬於同一子網中。

  子網掩碼由連續的1和連續的0組成，某一個子網的子網掩碼具備網絡號位數個連續的1

  在計算子網掩碼時，我們要注意IP地址中的保留地址，即” 0″地址和廣播地址，它們是指主機地址或網絡地址全為” 0″或” 1″時的IP地址，它們代表着本網絡地址和廣播地址，一般是不能被計算在內的。

無分類編址CIDR

  CIDR中沒有A、B、C類網絡號、和子網劃分的概念，CIDR將網絡前綴相同的IP地址稱為一個“CIDR地址塊”，注意網絡前綴是任意位數的。

斜線記法：193.10.10.129/25 使用二進製表示：11000001.00001010.00001010.10000001
無分類地址CIDR相比原來的子網劃分更加 靈活：

網絡地址轉換NAT技術

  IPv4最多只有40+億個IP地址，早期IP地址的不合理規劃導致IP號浪費。在介紹NAT技術之前，首先要知道內網地址和外網地址。

• 內網地址：內部機構使用，避免與外網地址重複。三類內網地址如下：
  • 10.0.0.0~10.255.255.255（支持千萬數量級設備）
  • 172.16.0.0~172.31.255.255（支持百萬數量級設備）
  • 192.168.0.0~192.168.255.255（支持萬數量級設備）
• 外網地址：全球範圍使用，全球公網唯一

  網絡地址轉換技術是發生在本地路由器的，主要功能就是把內網的IP地址轉成外網的IP地址來進行外部的通信，並且在接收到數據之後，再把外網IP地址映射成內網IP地址，轉發到具體的某個設備上面去。

  內網多個設備使用同一個外網IP請求外網的服務，外部怎麼知道具體是哪個設備在請求的？網絡地址轉換NAT的英文全稱是Network Address Translation，NAT技術用於多個主機通過一個公有IP訪問互聯網的私有網絡中，外部主要是通過端口號來區分到底是內網的哪一個設備進行請求的，這其中有一個NA(P)T表表：示例如下：

NAT減緩了IP地址的消耗，但是增加了網絡通信的複雜度

ICMP協議

  ICMP協議全稱是網際控制報文協議（Internet Control Message Protocol）,ICMP協議可以報告錯誤信息或者異常情況

ICMP協議首部:

ICMP報文分為：差錯報告報文和詢問報文:

ICMP協議的應用

ping應用：我們可以通過ping命令進行簡單的網絡故障排查：

1. ping本地迴環地址，一般情況下，都會得到返回的，如果得不到返回，則說明你的計算機的協議棧出現了問題，這個時候就可能需要重裝系統，或者是重新安裝這個協議棧
2. ping網關地址，即路由器地址，如果能得到返回的話，則說明本機到路由器的通路是通的，如果沒有返回的話，則說明你的wifi，或者你的網線連接是有問題的
3. ping遠端地址，如果不通的話，則說明你的家到ISP之間的網絡是故障的，此時就需要聯繫網絡服務商（移動、電信、聯通）進行排查。

Traceroute應用：Traceroute可以探測IP數據報在網絡中走過的路徑

路由概述

  思考：路由表中的下一跳地址是怎麼來的？下一跳地址是唯一的嗎？下一跳地址是最佳的嗎？路由器怎麼多，他們是怎麼協同工作的？為了解決這些問題，路由表需要一個好的算法去解決這些事情。路由算法實際上是圖論的算法，由於網絡環境複雜，使得路由算法要比圖論的算法更複雜。

  由於互聯網的規模是非常大的，互聯網環境是非常複雜的，所以我們需要對互聯網進行劃分。自治系統(Autonomous System)是指處於一個管理機構下的網絡設備群，AS內部網絡自行管理，AS對外提供一個或者多個出（入）口。自治系統內部路由的協議稱為：內部網關協議(RIP、OSPF)， 自治系統外部路由的協議稱為：外部網關協議(BGP)。

路由算法

  路由算法的本質是距離矢量（DV）算法， 距離矢量（DV）算法介紹如下：

• 每一個節點使用兩個向量\(D_i\)和\(S_i\)
• \(D_i\)描述的是當前節點到別的節點的距離
• \(S_i\)描述的是當前節點到別的節點的下一節點
• 每一個節點與相鄰的節點交換向量\(D_i\)和\(S_i\)的信息
• 每一個節點根據交換的信息更新自己的節點信息

現在假設有A的距離矢量信息，收到的距離矢量信息如下圖：

A通過B到各個節點得距離矢量信息如下：

A通過C到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點

A通過D到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點

A通過F到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點

RIP協議

  RIP(Routing Information Protocol)協議，RIP協議是使用DV算法的一種路由協議。RIP協議把網絡的跳數(hop)作為DV算法的距離，每隔30s交換一次路由信息，認為跳數>15的路由則為不可達路由。

RIP協議的過程

1. 路由器初始化路由信息(兩個向量\(D_i\)和\(S_i\))
2. 對相鄰路由器X發過來的信息，對信息的內容進行修改（下一跳地址設置為X，所有距離加1）
   1. 檢索本地路由，將信息中新的路由插入到路由表裡面
   2. 檢索本地路由，對於下一跳為X的，更新為修改后的信息
   3. 檢索本地路由，對比相同目的的距離，如果新信息的距離更小，則更新本地路由表
3. 如果3分鐘沒有收到相鄰的路由信息，則把相鄰路由設置為不可達(16跳)

RIP協議的優缺點：

• 優點：實現簡單，開銷很小。
• 缺點：故障信息傳遞慢。也就是隨便相信“隔壁老王”，“自己不思考” “視野不夠”。因為RIP協議每一個路由器它只看到相鄰路由器的信息，而看不到更遠的路由器信息，這也限制了網絡的規模。

內部網關路由協議之OSPF協議

鏈路狀態（LS）協議

  鏈路狀態（LS）協議：向所有的路由器發送消息，也就是一傳十、十傳百，只和相鄰的路由器交換信息。消息描述該路由器與相鄰路由器的鏈路狀態，每隔30s交換路由信息，只有鏈路狀態發生變化時，才發送更新信息。

Dijkstra（迪傑斯特拉）算法

  Dijkstra算法是著名的圖算法，Dijkstra算法解決有權圖從一個節點到其他節點的最短路徑問題，“以起始點為中心，向外層層擴展”。

Dijkstra（迪傑斯特拉）算法定義：

1. 初始化兩個集合(S, U)（S為只有初始頂點點A的集合，U為其他頂點集合）
2. 如果U不為空， 對U集合頂點進行距離的排序，並取出距離A最近的一個頂點D
   i. 將頂點D的納入S集合
   ii. 更新通過頂點D到達U集合所有點的距離（如果距離更小則更新，否則不更新）
   iii. 重複2步驟
3. 直到U集合為空，算法完成

OSPF協議的過程

  OSPF(Open Shortest Path First：開放最短路徑優先)，OSPF協議的核心是Dijkstra算法。OSPF協議的過程：路由器接入網絡，路由器向鄰居發出問候信息，與鄰居交流鏈路狀態數據庫，廣播和更新未知路由。

外部網關路由協議之BGP協議

  BGP(Border Gateway Protocol: 邊際網關協議)，BGP協議是運行在AS之間的一種協議。由於互聯網的規模很大，AS內部使用不同的路由協議。

  AS之間需要考慮除網絡特性以外的一些因素（政治、安全…），BGP(Border Gateway Protocol，邊界網關協議)，BGP協議能夠找到一條到達目的比較好的路由，AS之間通過BGP發言人來進行路由信息的交換。BGP發言人(speaker)：BGP並不關心內部網絡拓撲，AS之間通過BGP發言人交流信息，BGP Speaker可以人為配置策略。

總結：網絡層負責對子網間的數據包進行路由選擇。此外，網絡層還可以實現擁塞控制、網際互連等功能；網絡層的基本數據單位為IP數據報；包含的主要協議：IP協議（Internet Protocol，因特網互聯協議）、ICMP協議（Internet Control Message Protocol，因特網控制報文協議）、ARP協議（Address Resolution Protocol，地址解析協議）以及RARP協議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協議）。網絡層重要的設備是路由器。常見的路由選擇協議有：RIP協議、OSPF協議。RIP協議 ：底層是貝爾曼福特算法，它選擇路由的度量標準（metric)是跳數，最大跳數是15跳，如果大於15跳，它就會丟棄數據包；OSPF協議 ：Open Shortest Path First開放式最短路徑優先，底層是迪傑斯特拉算法，是鏈路狀態路由選擇協議，它選擇路由的度量標準是帶寬，延遲。

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