面试官：断网了，还能 ping 通 127.0.0.1 吗？

你女神爱不爱你你问她她可能不会告诉你。

‍

但网通不通你 ping 一下就知道了。

可能看到标题你就知道答案了但是你了解背后的原因吗

那如果把 127.0.0.1 换成 0.0.0.0 或 localhost 会怎么样呢你知道这几个IP有什么区别吗

以前面试的时候就遇到过这个问题大家看个动图了解下面试官和我当时的场景求当时我的心里阴影面积。

话不多说我们直接开车。

拔掉网线断网。

断开wifi

网线一拔恩怨去了

然后在控制台输入ping 127.0.0.1。

$ ping 127.0.0.1
PING 127.0.0.1 (127.0.0.1): 56 data bytes
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.080 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.093 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.074 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=0.079 ms
64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.079 ms
^C
--- 127.0.0.1 ping statistics ---
5 packets transmitted, 5 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 0.074/0.081/0.093/0.006 ms

说明拔了网线ping 127.0.0.1  是能ping通的。

其实这篇文章看到这里标题前半个问题已经被回答了。但是我们可以再想深一点。

为什么断网了还能 ping 通 127.0.0.1 呢

这能说明你不用交网费就能上网吗

不能。

首先我们需要进入基础科普环节。

不懂的同学看了就懂了懂的看了就当查漏补缺吧。

什么是127.0.0.1

首先这是个 IPV4 地址。

IPV4 地址有 32 位一个字节有 8 位共 4 个字节。

其中127 开头的都属于回环地址也是 IPV4 的特殊地址没什么道理就是人为规定的。

而127.0.0.1是众多回环地址中的一个。之所以不是 127.0.0.2 而是 127.0.0.1是因为源码里就是这么定义的也没什么道理。

/* Address to loopback in software to local host.  */
#define    INADDR_LOOPBACK     0x7f000001  /* 127.0.0.1   */

回环地址

IPv4 的地址是 32 位的2的32次方大概是40+亿。地球光人口就76亿了40亿IP这点量塞牙缝都不够实际上IP也确实用完了。

所以就有了IPV6 IPv6 的地址是 128 位的大概是2的128次方≈10的38次方。据说地球的沙子数量大概是 10的23次方所以IPV6的IP可以认为用不完。

IPV4以8位一组每组之间用 . 号隔开。

IPV6就以16位为一组每组之间用 : 号隔开。如果全是0那么可以省略不写。

ipv6回环地址

在IPV4下的回环地址是 127.0.0.1在IPV6下表达为 ::1 。中间把连续的0给省略了之所以不是7个 冒号而是2个冒号: 是因为一个 IPV6 地址中只允许出现⼀次两个连续的冒号。

多说一句在IPV4下用的是 ping 127.0.0.1 命令。在IPV6下用的是 ping6  ::1 命令。

什么是 ping

ping 是应用层命令可以理解为它跟游戏或者聊天软件属于同一层。只不过聊天软件可以收发消息还能点个赞什么的有很多复杂的功能。而 ping 作为一个小软件它的功能比较简单就是尝试发送一个小小的消息到目标机器上判断目的机器是否可达其实也就是判断目标机器网络是否能连通。

ping应用的底层用的是网络层的ICMP协议。

IP和ICMP和Ping所在分层

虽然ICMP协议和IP协议都属于网络层协议但其实ICMP也是利用了IP协议进行消息的传输。

ip和icmp的关系

所以大家在这里完全可以简单的理解为 ping 某个IP 就是往某个IP地址发个消息。

TCP发数据和ping的区别

一般情况下我们会使用 TCP 进行网络数据传输那么我们可以看下它和 ping 的区别。

ping和普通发消息的关系

ping和其他应用层软件都属于应用层。

那么我们横向对比一下比方说聊天软件如果用的是TCP的方式去发送消息。

为了发送消息那就得先知道往哪发。linux里万物皆文件那你要发消息的目的地也是个文件这里就引出了socket 的概念。

要使用 socket , 那么首先需要创建它。

在 TCP 传输中创建的方式是  socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);其中 AF_INET 表示将使用 IPV4 里 host:port 的方式去解析待会你输入的网络地址。SOCK_STREAM 是指使用面向字节流的 TCP 协议工作在传输层。

创建好了 socket 之后就可以愉快的把要传输的数据写到这个文件里。调用 socket 的sendto接口的过程中进程会从用户态进入到内核态最后会调用到 sock_sendmsg 方法。

然后进入传输层带上TCP头。网络层带上IP头数据链路层带上 MAC头等一系列操作后。进入网卡的发送队列 ring buffer 顺着网卡就发出去了。

回到 ping 整个过程也基本跟 TCP 发数据类似差异的地方主要在于创建 socket 的时候用的是  socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_ICMP)SOCK_RAW 是原始套接字 工作在网络层 所以构建ICMP网络层协议的数据是再合适不过了。ping 在进入内核态后最后也是调用的  sock_sendmsg 方法进入到网络层后加上ICMP和IP头后数据链路层加上MAC头也是顺着网卡发出。因此 本质上ping 跟 普通应用发消息 在程序流程上没太大差别。

这也解释了为什么当你发现怀疑网络有问题的时候别人第一时间是问你能ping通吗因为可以简单理解为ping就是自己组了个数据包让系统按着其他软件发送数据的路径往外发一遍能通的话说明其他软件发的数据也能通。

为什么断网了还能 ping 通 127.0.0.1

前面提到有网的情况下ping 最后是通过网卡将数据发送出去的。

那么断网的情况下网卡已经不工作了ping 回环地址却一切正常我们可以看下这种情况下的工作原理。

ping回环地址

从应用层到传输层再到网络层。这段路径跟ping外网的时候是几乎是一样的。到了网络层系统会根据目的IP在路由表中获取对应的路由信息而这其中就包含选择哪个网卡把消息发出。

当发现目标IP是外网IP时会从"真网卡"发出。

当发现目标IP是回环地址时就会选择本地网卡。

本地网卡其实就是个"假网卡"它不像"真网卡"那样有个ring buffer什么的"假网卡"会把数据推到一个叫 input_pkt_queue 的 链表 中。这个链表其实是所有网卡共享的上面挂着发给本机的各种消息。消息被发送到这个链表后会再触发一个软中断。

专门处理软中断的工具人"ksoftirqd" 这是个内核线程它在收到软中断后就会立马去链表里把消息取出然后顺着数据链路层、网络层等层层往上传递最后给到应用程序。

工具人ksoftirqd

ping 回环地址和通过TCP等各种协议发送数据到回环地址都是走这条路径。整条路径从发到收都没有经过"真网卡"。之所以127.0.0.1叫本地回环地址可以理解为消息发出到这个地址上的话就不会出网络在本机打个转就又回来了。所以断网依然能 ping 通 127.0.0.1。

ping回环地址和ping本机地址有什么区别

我们在mac里执行 ifconfig 。

$ ifconfig
lo0: flags=8049<UP,LOOPBACK,RUNNING,MULTICAST> mtu 16384
    inet 127.0.0.1 netmask 0xff000000
    ...
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    inet 192.168.31.6 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.31.255
    ...

能看到 lo0表示本地回环接口对应的地址就是我们前面提到的 127.0.0.1 也就是回环地址。

和 eth0表示本机第一块网卡对应的IP地址是192.168.31.6管它叫本机IP。

之前一直认为ping本机IP的话会通过"真网卡"出去然后遇到第一个路由器再发回来到本机。

为了验证这个说法可以进行抓包但结果跟上面的说法并不相同。

ping 127.0.0.1

ping 本机地址

可以看到 ping 本机IP 跟 ping 回环地址一样相关的网络数据都是走的  lo0本地回环接口也就是前面提到的"假网卡"。

只要走了本地回环接口那数据都不会发送到网络中在本机网络协议栈中兜一圈就发回来了。因此 ping回环地址和ping本机地址没有区别。

127.0.0.1 和 localhost 以及 0.0.0.0 有区别吗

回到文章开头动图里的提问算是面试八股文里的老常客了。

以前第一次用 nginx 的时候发现用这几个 IP都能正常访问到 nginx 的欢迎网页。一度认为这几个 IP 都是一样的。

访问127.0.0.1:80

访问localhost:80

访问0.0.0.0:80

访问本机的IP地址

但本质上还是有些区别的。

首先 localhost 就不叫 IP它是一个域名就跟 "baidu.com",是一个形式的东西只不过默认会把它解析为 127.0.0.1 当然这可以在 /etc/hosts 文件下进行修改。

所以默认情况下使用 localhost  跟使用  127.0.0.1  确实是没区别的。

其次就是 0.0.0.0执行 ping 0.0.0.0  是会失败的因为它在IPV4中表示的是无效的目标地址。

$ ping 0.0.0.0
PING 0.0.0.0 (0.0.0.0): 56 data bytes
ping: sendto: No route to host
ping: sendto: No route to host

但它还是很有用处的回想下我们启动服务器的时候一般会 listen 一个 IP 和端口等待客户端的连接。

如果此时 listen 的是本机的 0.0.0.0 , 那么它表示本机上的所有IPV4地址。

/* Address to accept any incoming messages. */
#define    INADDR_ANY      ((unsigned long int) 0x00000000) /* 0.0.0.0   */

举个例子。刚刚提到的 127.0.0.1 和 192.168.31.6 都是本机的IPV4地址如果监听 0.0.0.0  那么用上面两个地址都能访问到这个服务器。

当然 客户端 connect 时不能使用 0.0.0.0 。必须指明要连接哪个服务器IP。

总结

• 127.0.0.1 是回环地址。localhost是域名但默认等于 127.0.0.1。

• ping 回环地址和 ping 本机地址是一样的走的是lo0 "假网卡"都会经过网络层和数据链路层等逻辑最后在快要出网卡前狠狠拐了个弯 将数据插入到一个链表后就软中断通知 ksoftirqd 来进行收数据的逻辑压根就不出网络。所以断网了也能 ping 通回环地址。

• 如果服务器 listen 的是 0.0.0.0那么此时用127.0.0.1和本机地址都可以访问到服务。