Java ee 网络层重点协议IP协议

一、认识IP地址

1）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。

2）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。

3）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。

ps:IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。我们整个的课程，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。

4）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；

二、IP协议报头结构：

1）4位版本:IP协议的版本号，当前只有两个取值，4和6

（我们主要讨论IPv4）

2）4位首部长度：表示当前IP协议报头是多长

IP的报头和TCP类似，都是可变的，带有选项。
4位的取值范围是0~15，单位是4字节
如果我们取值1111>15，实际表示的首部长度就是60字节
(4*15=60)

3）8位服务类型（TOS）

TOS说是8位，其实只有4位是有效的：

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（同一时刻只能取一种状态）

最小延时：从A到B之间取一条时间最短的路径
最大吞吐量：从A到B之间取一条传输带宽最高的
最高可靠性：从A到B之间取一条最不容易丢包的
最小成本：从A到B之间取一条开销最小的

IP协议能够规划处两点之间比较合适的路径：这里的合适要看你的TOS是怎么选的

4）16位总长度

我们回想一下UDP好像也有类似情况：16位对应了一个最大长度64k。

因此，单个IP数据报最大长度确实不能超过64k

如果要构造一个更长的数据报（比如搭载的载荷部分已经超过了64k）怎么办？

IP协议自身实现了分包组包这样的操作，具体怎么实现呢？请看小节 5）

5）16位标识、3位标志、13位片偏移

假设现在我们有一个很长的IP数据包，如下图：

比如我们这里把它拆成2个小包：两个包两个IP报头，原有的IP数据载荷一分为二

可能会有同学问：你第二个没有TCP报头吗？
对于IP数据包来说，我们不关心载荷里面是什么，只是单纯的对数据进行了切分，我们也不用知道切分下来的哪一块有TCP报头。

举个例子:
我现在买了一个大床，卖家给我发送了床和两床被子，分开发送，难道我们快递站需要知道你哪个包裹里面是床，哪个包裹里面是被子吗？它只关心要把这些东西打包成几份来发送

可能会有同学又问：那接收方怎么区分这多个IP包是同一个IP数据分割而来的呢？

我们还是联想发快递：我们商家发快递，即使是拆成多个包裹发送，那这几个包裹快递单号也是一样的
多个被拆除的IP数据包的16位标识的值是相同的

比如我们这里两个拆下来的IP数据包标识都是1000

可能会有同学又问：粘包问题不是有个边界吗，顺序怎么排呢？

我们知道，网络上可能出现后发先置的情况，发送方后发送的，可能先被接收方收到。也就是说，接收方收到的顺序可能和发送方发送的不一样

我们通过13位片偏移，来描述这个包谁先谁后（片偏移越小，就是越靠前的包）

通过片偏移，我们就可以对里面的数据包按照顺序重组，保证顺序不会出错。

剩下的一个就是3位标志位了
3位标志位其实只有1位是好使的
这1位=0表示还有后续
这1位=1表示这是最后一个包了

ps:面试中可能会问：如何基于UDP实现分包组包？
解决方案就是照抄IP协议的分包组包——引入标识、片偏移、结束标记

6）八位生存时间(TTL)

表示一个IP数据报，在网络上还能存在多久，这里的单位不是s或ms，而是转发次数

IP数据报被发送的时候，就会有一个初始TTL（比如常见的取值，128或64）

IP数据报每次经过了一个路由器，TTL就会-1

如果TTL减到了0，此时收到这个包的路由器就会把这个包丢掉

主要就是有些包里面的IP地址，可能是永远也到达不了的，像这样的包，不可能在网络上无休无止的转发（占用的资源太多了）。而正常的IP数据报都会在既定的TTL内到来。

7）8位协议

就是指传输层使用的是哪种协议，TCP或者UDP都有不同的取值，通过这个取值，我们来区分出当前我们要把这个数据交给传输层的哪个协议来处理

8）16位首部校验和

这个和我们UDP是一样的，都是来校验数据是否正确的

9）32位源IP地址和32位目的IP地址（重要）

源IP表示发件人地址

目的IP表示收件人地址

对于IPv4来说，一个IP地址本质上是一个32位的整数

我们通常会使用“点分十进制”这样的方式来表示这个IP地址

三个点，把32位整数分成4个部分，每个部分1个字节（8bit）
每个部分的取值就是0~255

比如192.168.2.9这是我当前主机的IP地址
给人看的IP通常就是点分十进制表示的，
给机器存储的IP，在底层仍然是按照4个字节整数来表示的。

到这里IP协议报头就介绍的差不多了，我们再来看看关于地址管理的相关内容。

IP地址是一个点分十进制构成的数据，我们把IP地址分成两个部分，网络号+主机号
网络号：描述了当前的网段信息
主机号：描述了局域网内部的主机
规定：同一个局域网内主机之间的网络号是相同的，主机号是不同的。
两个相邻的局域网（同一个路由器连接的），网络号也是不同的。

以我家的网络环境为例：

在这个局域网中可以看到，网络号都是192.168.2，但是主机号都是不同的。
我们再来看一下我家另外一个局域网

总览图：

在当前我家的两个局域网中，一边是我的路由器构成的局域网，另一边是我的光猫构成的局域网

注：IP协议主要完成两方面工作（分别会在本文的四和五进行介绍）：
1.地址管理
2.路由选择

三、子网掩码

关于到底前多少个bit位是网络号呢？固定3字节吗？
这个其实是不固定的，我们引入了“子网掩码”的概念，来表示多少bit位是网络号。

子网掩码，也是一个32位点分十进制表示的整数
比如我这里的子网掩码：
255.255.255.0

子网掩码的左侧都是1，右侧都是0（不会1 0混合排列）
比如255:1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000

一般家用的场景中，一个局域网设备很少，不会超过255，常见的子网掩码就是255.255.255.0

但如果是公司或者学校，一个局域网的设备多了，子网掩码就会出现一些其他值。

ps:需要根据实际需要来确定网段如何划分，每个设备的IP都是可以配置的，包括子网掩码什么的，都是可以修改的，但我们程序员一般不考虑改这个。这个是由网络管理员专门负责修改的，我们了解一下即可。

还有一个小小的问题
IP地址网段划分，是通过子网掩码的方式划分的，
在历史上有子网掩码之前，我们是粗暴的通过“分类”的方式来划分的，我们把IP地址分成了A、B、C、D、E这五类，每一类有多少网络号、主机号
（该种划分方式已淹没于历史长河中，但是笔试选择题可能会出现来恶心你一下，我们了解一下）

四、 地址管理

我们先来了解一下，一些特殊的IP地址：
1、如果IP的主机号全0，该IP就表示网络号（局域网里一个正常的设备，主机号不能设为0）

2、如果IP地址是以127开头的，该IP都表示“环回IP”，也就是表示主机自己，127.0.0.1（环回IP的典型）

3、如果IP地址是以10开头的，192.168开头的，172.16-172.31开头的，表示该IP地址是一个局域网内部的IP（内网IP）

除上述3种情况，剩下的IP称为外网IP（直接在广域网上使用的IP）

要求外网IP一定是唯一的，每个外网IP都会对应到唯一的一个设备，
内网IP只是在当前局域网中是唯一的，不同的局域网里，可以有相同的内网IP的设备。

可能会有同学问：“本来我们预期的IP地址就应该表示网络上的一个唯一的位置，那为啥一个IP能表示不同设备呢？”
回答：当前IPv4协议，使用的IP地址是32位的整数，32位能表示的范围是42亿9千万…那如果给每个设备都分配一个唯一的IP地址，那是不是就意味着世界上的设备不能超过42亿9千万了？所以，让每个设备都有唯一的IP地址不现实。

那如何解决这个问题呢？

1) 动态分配IP地址

让每个设备连上网的时候，才有IP，不联网的时候就没有IP（同一个IP可以给别人用）

2) NAT机制，让多个设备共用一个IP（外网IP）

把网络分成了内网（局域网），和外网（广域网）
要求外网IP必须表示唯一的设备
同时内网中的若干设备，可以共用一个外网IP

比如我现在要打lol，我要访问lol的服务器，那访问路径就是图中的绿色箭头
我们会经过一个运营商设备，运营商设备是有外网IP180.119.39.154（扬州市高邮市的IP）
而这个外网IP显然不是仅仅给我个人用的，而是给所有接入这个运营商设备的局域网，都在共用这同一个IP

这个时候每个外网IP都表示几千个，甚至上万个设备，这个时候IP地址的压力就缓解很多了。

这个时候可能又会有同学问了：“那如果多个来自一个外网IP的同时访问LOL的服务器，那LOL服务器怎么区分谁是谁呢？如下图：”

这里的进一步区分，就是靠端口号了。
网络的连接，是一个五元组，即使你IP相同也没有关系
比如现在lol服务器上有两个连接：

NAT机制，把IP分成了内网和外网，也就隐含了一个重要的结论：
对于一个外网IP，可以在互联网的任何位置都能访问到
对于一个内网IP，只能在当前互联网内部访问，局域网1的设备，不能使用内网IP访问局域网2的设备。

比如192.168.126.1是我电脑的IP，这个IP只有在我自己家的局域网中才能访问，你们想跨局域网来访问我这个IP是做不到的。

如果我们之间想要通信，这就需要有一个带有外网的IP的机器，比如我们通过QQ这个带有外网IP的，我们都可以访问QQ，

我这里的机器访问QQ然后向你们发送“听我说，谢谢你，因为有你…”
你那边的机器也访问了QQ，然后你们就可以从QQ那里拿到我的消息。

如果没有NAT(如果所有的IP都是唯一的)，就可以做到不通过QQ，我直接在我电脑上架设一个聊天服务器，你们直接访问我的IP即可。

NAT机制就是用一个WAN IP，代表一波设备，
换句话说，我们在运营商设备这里，就会修改IP数据包，把从内网发出去的源IP改成外网IP。
带有这样功能的设备，也成为了NAT设备

综上方法2的NAP机制可以极大的解决我们IP不够用的问题，但是NAP也不是无限的啊，
NAP的极限就是端口号的个数65535（我们通过端口号区分不同的主机），
如果一个局域网里的连接数超过了65535，那么我们的NAT就不一定好使了，端口号不够用了

我们接下来介绍从根本上解决IP不够用的方法3：IPv6

3) IPv6

IPv6在报头中使用了一个更长的字段来表示IP地址
16个字节，128位

原先IPv4是4个字节32位

看起来好像16字节比4字节也就大了四倍，其实是大了非常非常非常大的倍数，
4个字节是2^ 32,
16个字节是2^ 128，这可是指数级的增长啊。
我们要制作设备需要硅，而硅是从沙子里来的，
我们IPv6号称可以把地球上每一颗沙粒都编号，
沙漠皇帝属于是，恕瑞玛，你们的皇帝回来了

比如我这里的IPv6地址如下

既然IPv6这么香，为啥现在还是在用IPv4+NAT呢？
现在最大问题就是IPv6和IPv4是不兼容的
对于一个设备来说，支持IPv4和IPv6需要完全不同的机制，
现有的大量网络设备（路由器）都很有可能只支持IPv4而不是IPv6,
因此，想要升级到IPv6就得更换设备，可没人愿意出这个钱（IPv4也可以用，谁愿意掏钱呢）
ps:国家目前正在大力推动IPv6进程，以应对现在及将来的国防安全和科技革命，未来还是很有可能大规模实现的

五、路由选择

路由选择，就是规划路径，
两个设备之间，要想找出一条通道，能够完成传输的过程，要想找出通道，前提是，得先认识路。

路由表内部的结构并不复杂，但是复杂的是路由表是怎么来的
（有一系列专门的路由表生成算法，也可以手动配置，了解即可，面试不会考察）