【网络编程】计算机网络重点知识详解（IP协议+MAC地址+路由+DNS+NAT+以太网帧+MTU+ARP）
目录
- 1. 认识IP地址
- 2. 子网掩码
- 3. MAC地址
- 4. 一跳一跳的网络数据传输
- 5. 总结IP地址和MAC地址
- 6. 主机：网络分层从上到下封装
- 7. 主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址
- 8. 路由器：路由+NAPT
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- 8.1 网关
- 8.2 路由
- 9. 应用层重点协议---DNS
- 10. 应用层重点协议---NAT
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- 10.1 NAT IP转换过程
- 10.2 NAPT
- 11. 网络层重点协议---IP协议
- 12. 数据链路层重点协议---以太网帧
- 13. MTU
- 14. ARP协议
1. 认识IP地址
概念：IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
作用：
IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地
址，以此来屏蔽物理地址的差异。
格式：
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：
100.4.5.6
IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。一般我们学习的，凡是提到IP协议，没有特殊说明的，默认都是
指IPv4。
IPv4数量=2^32，大约43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。对于全世
界计算机来说，这个数量是不够的，所以后来推出了IPv6（长度128位，是IPv4的4倍）。但因为
目前IPv4还广泛的使用，且可以使用其他技术来解决IP地址不足的问题，所以IPv6也就没有普及。
组成：
IP地址分为两个部分，网络号和主机号
- 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
- 主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；
通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。
特殊的IP地址：
- 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网；
- 将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所
有主机发送数据包； - 127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1
- 本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。
为了解决IP地址浪费的问题，引入子网掩码来进行子网划分：
2. 子网掩码
格式：
子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1
的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。
子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如以上子网掩码也可以表示为24。
作用：
网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号（划分子网后的网络号）及主机号（划
分子网后的主机号）。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
（对于网络通信来说，发送数据报时，目的主机与发送端主机是否在同一个网段，流程是不一样的）
计算方式：
将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得
到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。
示例：
3. MAC地址
MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。
-
主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC
地址。 -
网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
-
硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。
-
MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
-
长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）
-
在网卡出厂时就确定了，不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址。
特殊的MAC地址：广播数据报：发送一个广播数据报，表示对同网段所有主机发送数据报。广播数据报的MAC地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF
4. 一跳一跳的网络数据传输
以下为主机B传输数据到主机C经过的网络设备：
对于以上经过的网络设备：
主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；
路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制；
节点：主机和路由器的统称；
- 集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用，不算在下一跳设备。
对于网络数据传输，不是想象中那样，数据直接从源主机到达目的主机，而是类似在地图中，从A到B的
过程；
5. 总结IP地址和MAC地址
- IP地址描述的是路途总体的起点和终点；是给人使用的网络逻辑地址。
- MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点；是给网络硬件设
备使用的网络物理地址。
6. 主机：网络分层从上到下封装
发送数据报时，发送端主机都需要先根据网络分层从上到下封装：
由“一跳一跳的网络数据传输”可知，以上：
- 源IP与目的IP标识整个路途的起点和终点；
- 源MAC与目的MAC标识了每一跳的起点和终点
此时，需要根据发送端主机（源主机）与接收端主机（目的主机）是否在同一网段，来设置下一跳设
备：
- 源主机和目的主机在同一个网段时，下一跳设备就是目的主机；
- 发送端主机和接收端主机在不同网段时，发送端主机是无法知道目的主机在哪，此时会设置下一跳
设备为网关设备；. - 所谓网关，我们这里可以简单理解为，不同网段的网络互连时，需要使用网关设备。
通常的网关设备是路由器，可以划分公网和局域网（内网），同时还可以把局域网划分为多个子网（不同网段）
下一跳设备IP地址都可以获取到，但该设备的MAC地址（即目的MAC）可能不知道，就需要使用以下ARP寻址：
7. 主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址
首先，ARP是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。
在数据链路层，寻找下一跳设备MAC地址的过程，称为ARP寻址：
（1）主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表：通过IP地址可以找到对应的MAC地址。
（2）根据下一跳设备的IP地址，在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址，则可以设置目的MAC并发送
数据报。
（3）如果找不到，则发送ARP广播数据报：目的MAC为广播地址，询问下一跳设备的MAC地址。
过程图解：
8. 路由器：路由+NAPT
路由器主要有两个作用：
8.1 网关
路由器作为网关，可以划分公网和局域网，某些路由器还可以将局域网划分为多个子网（不同网段）
公网端口即WAN口，为单独的网卡，具有公网IP地址和公网MAC地址。
划分的多个子网，是由局域网端口即LAN口划分，每个端口都有单独的网卡，具有该网段IP地址
和MAC地址。
（注意：家庭用的路由器不能划分局域网子网，企业级专业路由器才能划分）
路由器作为网关：
- 划分局域网多个子网时，可以直接通过ARP寻址找到局域网任意主机。（这里的局域网就是路由器
下的多个子网组成的局域网）。 - 划分公网和局域网时，局域网内主机发送数据报到公网主机时，需要基于NAPT协议，将局域网主
机的IP地址和端口号，转换为路由器公网IP和端口号（指路由器中运行的程序的端口）。 - 局域网IP+端口需要转换为公网IP+端口，原因是接收端返回的响应数据报，目的IP和目的端
口无法使用局域网IP和端口。
8.2 路由
所谓路由，即在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；
网络通信（网络数据传输），路由器中的路由功能，就类似于规划路线，往哪个方向行进能更快到达目
的地。
9. 应用层重点协议—DNS
DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。
TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于
是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址。
网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址：
- 域名解析的过程，可以简单的理解为：发送端主机作为域名系统树形结构的一个子节点，通过域名
信息，从下到上查找对应IP地址的过程。如果到根节点（根域名服务器）还找不到，即找不到该主
机。 - 域名解析使用DNS协议来传输数据。DNS协议是应用层协议，基于传输层UDP或TCP协议来实现。
10. 应用层重点协议—NAT
IPv4协议中，因为IP地址数量不充足的问题，引入NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；
- NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
- 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
- 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；
10.1 NAT IP转换过程
- NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
- NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
- 在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
- 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；
10.2 NAPT
如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？
NAPT就是解决这个问题的：使用IP+port来建立这个关联关系（IP+端口）：
这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项；
在断开连接后，就会删除这个表项
11. 网络层重点协议—IP协议
协议头格式如下：
- 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
- 4位头部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
- 8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。
- 16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。
- 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每
一个片里面的这个id都是相同的。 - 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。
第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位
表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0。类似于一个结束标记。 - 13位分片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。
- 8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
- 8位协议：表示上层协议的类型。
- 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
- 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
- 选项字段（不定长，最多40字节）
12. 数据链路层重点协议—以太网帧
以太网帧格式：
- 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
- 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
- 帧末尾是CRC校验码。
13. MTU
MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。
- 以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
- 最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
- 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对
数据包进行分片（fragmentation）； - 不同的数据链路层标准的MTU是不同的；
MTU对IP协议的影响：
由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。
- 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
- 每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
- 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记
（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）； - 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
- 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；
14. ARP协议
ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；
ARP协议的作用：
ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。
- 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬
件地址； - 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不
符，则直接丢弃； - 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；
ARP协议的工作流程：
-
源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求
广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）； -
目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据
包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中； -
每台主机都维护一个ARP缓存表，缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址
-
完结撒花：over ✨