1. 信息怎样变成网络中的字节
1.1 Bit、Byte 和十六进制
Bit（Binary Digit，二进制位）是计算机中最小的信息单位，只能取 0 或 1。
Byte（字节）通常由 8 个 bit 组成。一个字节可以表示 0..255。
网络协议经常使用Hexadecimal（十六进制），因为一个十六进制数字正好表示 4 个bit：
二进制 0000 = 十六进制 0
二进制 1001 = 十六进制 9
二进制 1010 = 十六进制 a
二进制 1111 = 十六进制 f
因此一个字节 11111111 可以写成 ff。IPv6 地址使用十六进制，MAC 地址也通常使用十六进制。
1.2 Network Byte Order
Network Byte Order（网络字节序）规定多字节整数在线上按高位字节在前的顺序 传输，也叫Big Endian（大端序）。
例如十六进制整数 0x12345678 在线上的四个字节依次是：
12 34 56 78
任何网络协议中的多字节整数都必须明确字节序。接收端不能直接假设主机内存顺序与网络顺序相同；C 代码通常通过 htonl、ntohl、htobe64 等函数转换。项目业务头中的具体字段等学到第七编再逐项解码。
1.3 Header 和 Payload
Header（头部）是协议为了传输和解释数据而添加的元信息；Payload（载荷） 是这一层实际承载的内容。
一个简化的嵌套关系是：
以太网Header
└─ IPv6 Header
└─ UDP Header
└─ Application Header（应用头）
└─ Application Data（应用数据）
对外层协议而言，整个内层通常只是 payload。例如，以太网不需要理解应用数据的字段。
1.4 Encapsulation 与 Decapsulation
Encapsulation（封装）是在原数据外面增加本层头部； Decapsulation（解封装）是接收端删除已经完成使命的外层头部。
图 1 封装：UDP 数据报装进 IP 包，IP 包再装进当前一跳的以太网帧；接收端按相反顺序剥离
例如，UDP 把应用数据封装成 UDP 数据报，IP 再把 UDP 数据报封装成 IP 包，Ethernet 最后把IP 包封装成当前一跳的帧。接收端按相反顺序剥离头部。项目中的多层 SRv6 封装等学完 IPv6后再解释。
1.5 校验题
- 一个字节有多少 bit，能表示多少个不同值？
- 对 Ethernet 层而言，整个 IPv6 包属于 header 还是 payload？
- 封装与修改内层数据有什么区别？
2. 为什么网络需要分层
2.1 常用四层视图
网络不是一个函数完成所有工作，而是分层协作。本书使用下面的简化视图：
| 层 | 常用英文 | 本层对象 | 主要问题 | 本项目例子 |
|---|---|---|---|---|
| 链路层 | Link Layer，链路层 | Frame | 同一条链路上交给哪个接口 | Ethernet、MAC、veth、XDP |
| 网络层 | Network Layer，网络层 | Packet | 跨多跳到哪个 IP 地址 | IPv4、IPv6、SRv6 |
| 传输层 | Transport Layer，传输层 | Datagram/Segment | 交给目的主机的哪个进程 | UDP、TCP |
| 应用层 | Application Layer，应用层 | Message/Object | 业务数据怎样解释 | 文件、图片、请求或响应 |
Frame（帧）是链路层传输单位；Packet（包）是 IP 层传输单位； Datagram（数据报）常指 UDP 单位；Segment（报文段）常指 TCP 单位。 日常日志有时会宽泛地把它们都称为“包”，读代码时必须看具体层次。
2.2 每层只解决自己的问题
以一段普通 UDP 应用数据为例：
- 应用层说明数据对业务意味着什么；
- UDP 用端口把它交给目的进程；
- IP 决定它跨越多跳后到哪个地址；
- Ethernet 用下一跳 MAC 完成当前一跳；
- 真实链路决定这一跳是否连通、能以多快速度传输。
如果链路层开始解释图片含义，或者控制服务替 Linux 逐包改 MAC，分层边界就被破坏了。
2.3 Control Plane、Data Plane 和 Observer Plane
Control Plane（控制面）交换邻居、拓扑、资源和策略所需的事实。 Data Plane（数据面）实际转发业务包并执行算子。 Observer Plane（观察面）记录事件、统计和图片，供分析与前端展示。
图 2 四层视图与三个平面：观察面故障不能停止数据面，控制器不代替节点做本地转发决策
本项目的底线是：观察面故障不能停止数据面；控制面不能承载被验证的业务数据；控制器不能代替节点完成本地转发决策。
3. Ethernet、MAC 和一跳交付
3.1 Ethernet 是什么
Ethernet（以太网）是一组常用链路层技术。本项目不模拟真实网卡电信号，但使用 标准 Ethernet 帧表达容器接口之间的一跳数据。
Ethernet 帧至少包含：
Destination MAC | Source MAC | EtherType | Payload
MAC（Media Access Control，介质访问控制地址）是链路层接口标识，通常写成
02:00:00:02:00:01。EtherType 说明 payload 是 IPv4、IPv6 还是其他协议。
3.2 MAC 只负责当前一跳
假设 IPv6 包最终要从节点 1 到节点 10，但节点 1 的当前下一跳是节点 2：
IPv6目的地址 = 节点10或某个SID
Ethernet目的MAC = 节点2在当前链路上的MAC
到节点 2 后，Linux 再次查询 FIB，为下一跳重建新的 Ethernet 头。IP 目的地址可以在多跳期间保持不变，MAC 目的地址通常每一跳都变化。
3.3 MTU
MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是一条链路无需分片即可承载的 最大网络层包长度。IPv6 链路最小 MTU 是 1280 字节。本项目 AF_XDP frame 容量是 2048 字节，所有后续协议头与应用数据的总长度都必须保证完整帧不越界。
头部不是免费的。增加 SRH segment 会增加包长，所以 uSID 压缩能减少重复的 128-bit SID。
3.4 本项目的宿主机转发边界
节点 Linux 依据自己的 IPv6 FIB 和邻居表写入目标 MAC。宿主机 XDP/eBPF 只根据目标 MAC把帧 redirect 到对应 AF_XDP socket；AF_XDP 再把它放入 source→destination 有向链路。
这一节只需记住：节点 Linux 决定下一跳，宿主链路层实施这一跳的传输条件。宿主为什么默认不解释上层数据，以及项目唯一受限例外怎样工作，分别留到第三编和第八编。
4. IPv4 从零开始
4.1 IPv4 地址
IPv4（Internet Protocol version 4，互联网协议第 4 版）使用 32-bit 地址，通常按 四个十进制字节书写：
192.168.0.2
每段范围为 0..255。IPv4 地址标识一个网络接口在某个 IP 网络中的位置，不等同于用户、进程、Docker 容器或物理机器本身。
4.2 Prefix 与 Subnet
Prefix（前缀）表示一组共享高位 bit 的地址。192.168.0.0/24 中的 /24 表示前 24 个
bit 是网络部分，剩余 8 个 bit 是该网络中的接口部分。
Subnet（子网）是按前缀划分出的地址集合。例如：
网络：192.168.0.0/24
可写地址示例：192.168.0.2、192.168.0.5
本书示例只解释前缀匹配，不展开传统广播地址分配规则。
4.3 Default Gateway
Default Gateway（默认网关）是主机在没有更具体路由时交付流量的下一跳。
端侧不需要知道 200 颗卫星的全网拓扑。它只需要：
自己的地址
当前接入卫星的地址和MAC
一条指向接入卫星的默认路由
接入卫星才负责进入核心网络。
4.4 ARP
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）把同一 IPv4 链路上的下一跳 IP
解析为 MAC。例如，主机知道下一跳是 10.42.9.1，但发 Ethernet 帧前还要知道对应 MAC。
IPv6 不使用 ARP，而使用后面介绍的 NDP。
4.5 IPv4 头部中的关键字段
初学者需要先认识：
| 字段 | 作用 |
|---|---|
| Source Address | 源 IPv4 地址 |
| Destination Address | 目的 IPv4 地址 |
| TTL | 每经过一个三层转发节点减 1，防止路由环路无限存活 |
| Protocol | 指示上层是 ICMP、TCP、UDP 等 |
| Total Length | 整个 IPv4 包长度 |
TTL（Time To Live，生存时间）名字像时间，IPv4 转发时实际主要作为跳数上限。
4.6 本项目怎样使用 IPv4
外部飞机和船舶端侧可以发送普通 IPv4 业务。入口卫星执行 IPv4-in-IPv6 SRv6 封装，出口卫星使用 End.DX4 解封装并交给目的端侧。核心网络不需要给每个中间节点建立IPv4 SRv6 能力；核心转发外层 IPv6。
5. IPv6 从零开始
5.1 为什么地址变成 128 bit
IPv6（Internet Protocol version 6，互联网协议第 6 版）使用 128-bit 地址。它不仅 扩大地址空间，也提供扩展头机制，SRH 正是 IPv6 Routing Header 的一种。
IPv6 地址由 8 组 16-bit 十六进制数组成：
fd42:0001:0000:0000:0000:0000:0000:000a
每组可以省略前导零：
fd42:1:0:0:0:0:0:a
一段连续的全零组可以用一次 :: 压缩：
fd42:1::a
一个地址中不能出现两个 ::，否则无法判断各自代表多少组零。
5.2 IPv6 前缀
IPv6 也使用 CIDR 前缀。CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）用 地址/前缀长度 表达网络。示例：
fd42:1::/48
表示前 48 bit 固定。fd42:1::1 与 fd42:1::c8 都属于这个前缀。
常见长度：
/128：一个精确 IPv6 地址；/64：常见接口子网；/48或/32：可以继续划分的大定位前缀。
5.3 ULA
ULA（Unique Local Address，唯一本地地址）使用 fc00::/7 范围，作用类似组织内部
使用的 IPv6 地址，不直接作为全球互联网路由地址。本项目的 fd42:* 全部位于 ULA 范围，便于在封闭仿真中定义稳定地址合同。
5.4 Link-local Address
Link-local Address（链路本地地址）位于 fe80::/10，只在当前链路有效，通常不被
路由器跨链路转发。本项目节点间下一跳常写成：
via fe80::2 dev eth0
因为同一个 fe80::2 可能在不同接口上重复，Linux 命令必须同时给出 dev eth0。
5.5 Multicast
Multicast（组播）让一个发送者把报文交给一组监听者。IPv6 组播地址以 ff 开头。
本项目 HELLO 使用组播传播本地邻居探测，但只有实际收到并正确 ACK 的节点才能成为邻居。
组播不是广播。IPv6 没有 IPv4 那种全网广播地址。
5.6 NDP
NDP（Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议）通过 ICMPv6 完成 IPv6 地址到 MAC 解析、邻居可达性等功能。**ICMPv6（Internet Control Message Protocol for IPv6，IPv6 互联网控制消息协议）**承载错误报告和邻居发现等控制消息。
需要区分两个“邻居发现”：
- Linux NDP 解决“已知下一跳 IPv6 对应哪个 MAC”；
- 本项目 HELLO/ACK 解决“物理场景中哪个节点现在真的可达”。
它们工作层次不同，不能互相替代。
5.7 IPv6 基本头部
IPv6 基本头固定 40 字节。关键字段包括：
| 字段 | 作用 |
|---|---|
| Version | 固定为 6 |
| Payload Length | 基本头之后的字节数 |
| Next Header | 后面是扩展头、UDP、TCP 还是其他协议 |
| Hop Limit | 类似 IPv4 TTL，每次三层转发减 1 |
| Source Address | 128-bit 源地址 |
| Destination Address | 当前 128-bit 目的地址 |
5.8 Extension Header
Extension Header（扩展头）让 IPv6 在基本头之后串联额外功能。每个头用Next Header指向下一个头。SRH 是 Routing Extension Header（路由扩展头）的 Type 4。
一个 SRv6 封装包可以是：
Outer IPv6 Header
└─ SRH
└─ Inner IPv6 Header
└─ UDP
└─ Application Data
中间普通转发节点只需要按当前 IPv6 Destination Address 查询 FIB；只有当前目的地址命中本地 SID 的节点才执行对应 SRv6 行为。
5.9 IPv4 与 IPv6 不是“新旧开关”
| 对比 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32 bit | 128 bit |
| 常用写法 | 点分十进制 | 冒号分隔十六进制 |
| 邻居解析 | ARP | NDP/ICMPv6 |
| 跳数限制 | TTL | Hop Limit |
| 扩展机制 | 基本头选项能力有限 | Extension Header 链 |
| 本项目核心 SRv6 | 可作为内层业务 | 作为外层核心和内层业务 |
SRv6 依赖 IPv6 外层，但它可以承载 IPv4 或 IPv6 内层业务。
5.10 练习
- 展开
fd42:1::a为 8 组十六进制数。 /128和/48哪个匹配范围更精确？fe80::2为什么通常必须与接口名一起使用？- Linux NDP 与本项目 HELLO 分别发现什么？
6. 路由：包怎样逐跳前进
6.1 Route、Next Hop 和 Interface
Route（路由）是一条“某类目的地址应该怎样处理”的规则。典型路由包含：
destination prefix → next hop → output interface
Next Hop（下一跳）是当前节点下一次交付的相邻节点；Interface（接口）是包离开 本节点的出口。
例如：
fd42:1::a/128 via fe80::2 dev eth0
含义不是“节点 2 是最终目的”，而是“要去 fd42:1::a，当前先交给 fe80::2”。
6.2 Longest Prefix Match
Longest Prefix Match（最长前缀匹配）规定：若多条路由都匹配目的地址，选择前缀 长度最长，也就是最具体的一条。
fd42:1::/48 via A
fd42:1::a/128 via B
访问 fd42:1::a 选择 /128 的 B，访问 fd42:1::b 选择 /48 的 A。
Metric（度量值）可以在同等前缀的多条路由之间表达优先级，但它不能战胜更长前缀。
6.3 RIB 与 FIB
RIB（Routing Information Base，路由信息库）保存控制层面学到或配置的路由信息； FIB（Forwarding Information Base，转发信息库）是内核逐包转发实际使用的结果。
通俗类比：RIB 像规划部门的候选路线档案，FIB 像司机手上的当前导航指令。
本项目控制器不替节点安装 FIB。每个节点从收到的拓扑事实计算自己的主/备下一跳，再由唯一 forwarding worker（转发工作线程）调用 Linux 路由接口更新本地 FIB。
6.4 Neighbor Table
路由查询得到下一跳 IPv6 和接口后，还要通过Neighbor Table（邻居表）找到 MAC。所以转发需要两次不同意义的解析：
FIB：目的IPv6 → 下一跳IPv6 + 接口
邻居表：下一跳IPv6 + 接口 → 下一跳MAC
宿主机 XDP 最终读取的是已经写入 Ethernet 头的目标 MAC，不是自己重新查询全网路由。
6.5 Policy Routing
Policy Routing（策略路由）不仅看目的地址，还可以看报文 mark（标记）、源地址等 条件，选择另一张路由表。
普通路由：
destination → main table → route
一个通用策略路由例子：
packet mark = 7
→ ip rule选择table 10007
→ table 10007中的路由决定下一跳
这里先理解“同一目的可以因本地标记而查询不同路由表”。项目怎样从任务身份得到标记，以及怎样把它导入 SR Policy，到第四编再解释。
6.6 BFS 与最短跳数
BFS（Breadth-First Search，广度优先搜索）从起点按“一跳、两跳、三跳”逐层扩展。 在所有边代价相同的图中，它能找到最少跳数路径。
当前系统节点本地 FIB 使用单位边 BFS。物理场景虽然提供 delay_us 和 rate_bps，当前控制面选路成本仍是 hop_count × 1000，也就是跳数乘 1000。不能把它误写成时延感知或带宽感知路由。
6.7 LFA 备份
LFA（Loop-Free Alternate，无环路备选）是在主下一跳失效时可用且不会把包送回 环路的另一个下一跳。对源 S、候选邻居 N 和目的 D，常用判断是：
D(N,D) < D(N,S) + D(S,D)
其中 D(X,Y) 表示 X 到 Y 的图距离。本项目每个节点保存满足条件的第二下一跳；邻居失效时只切换受影响路由，不让一个节点失败导致全系统退出。
6.8 路由不等于 SR Policy
普通 FIB 回答“当前目的 IPv6 下一跳是谁”。SR Policy 回答“这类业务必须依次执行哪些segment”。SR Policy 中的每个 SID 仍需要普通 IPv6 FIB 把它送向当前执行位置。
因此：
SR Policy给出指令顺序
IPv6 FIB完成每条指令之间的逐跳可达
二者缺一不可。
6.9 第一编自测
读者应当能不看答案解释：
- 最终目的 IP 为什么与当前一跳 MAC 不是同一个层次？
- FIB 和邻居表各自把什么映射成什么？
- 为什么最长前缀匹配会选择
/128而不是/48？ - 控制器持有拓扑为什么不等于控制器必须替节点安装 FIB？
- SRv6 封装 IPv4 为什么不叫地址族转换？