【Java EE】-网络编程(三) TCP/IP协议详解

作者：学Java的冬瓜
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专栏：【JavaEE】
主要内容：应用层HTTP协议、DNS域名解析系统、传输层UDP协议，TCP协议。TCP协议的工作机制：确认应答、超时重传、连接管理、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延时应答、捎带应答、面向字节流地粘包问题、客户端服务器异常断电等的理解。

一、应用层

1、自定义协议

自定义协议要做的事情就是两件事：
1.明确协议数据要传输哪些数据。（根据需求分析获得）
2.明确数据组织格式。比如可以使用纯文本，或者xml标签形式，json方式，或者protobuffer(二进制)

2、知名协议

2.1、HTTP协议

HTTP协议可以传输多种类型的文件，包括HTML页面、图像、音频、视频以及其他文本文件。
HTTP协议是浏览器和服务器之间进行数据传输的协议。客户端通过浏览器发送HTTP请求，服务器通过HTTP响应返回数据给浏览器。
HTTP是一种无状态的协议，每个请求和响应之间相互独立，不会记录之前的请求和响应。

2.2、DNS协议

DNS域名解析系统：

DNS全称域名解析系统，就是我们使用的地址栏上的地址。对服务器来说，要访问的其实是服务器的IP地址，但是IP地址记起来很麻烦，于是就用一些简单的单词构成字符串表示这个IP地址。每个域名都对应了一个/N个IP地址。

那么怎么将IP和域名对应呢？

最开始使用的是一个hosts文件，像哈希表一样，建立了IP和域名之间的映射关系。
后来网站越来越多，仅靠hosts文件难以维护，所以有了DNS服务器。当你访问某个域名时，就会自动请求DNS服务器，DNS服务器就去查表，然后返回给你要访问的具体的IP地址，你就可以根据IP地址访问你要访问的服务器。

域名不能重复，如何保证？

使用一级域名、二级域名、三级域名…
一级域名比如：.com、.org、.cn…
二级域名比如：baidu

因为域名分级了，所以DNS服务器也分级了。
且IPv4对应一套域名解析系统，而IPv6又对应另一套域名解析系统。IPv4的DNS服务器大部分在美国，所以我们才大力发展IPv6对应的DNS服务器。

二、传输层

传输层是操作系统内核实现好了的，但是程序员可以通过系统提供的 Scket API完成网络编程。 传输层最著名的协议就是UDP和TCP。

端口：
端口范围范围是0~65535(2^16-1)，0 ~ 1023叫做知名端口，分配个给广泛使用的应用程序。

程序员需要记住的数字：
1个字节：8个bit位，0~255 (0 ~ 2^8 - 1)，或者-128 ~ +127( -2^7 ~ 2^7-1)
2个字节：16个bit位，0~65535 (0 ~ 2^16 - 1)，或者-32768 ~ +32767( -2^15 ~ 2^15-1)
4个字节：32个bit位，0~ 42九千多万(0 ~ 2^32 - 1)，或者 -21亿~ +21亿( -2^31 ~ 2^31-1)

1、UDP协议

• 16位端口：
  UDP协议和TCP协议的报头中都包含 源端口 目的端口。
  在两种传输层协议的报头中，端口都使用16个bit位表示，也就是两个字节。
• 16位UDP长度：
  要求整个UDP数据报的长度不超过2^16(0 ~ 65535)字节(b)，约等于不超过64kb。
  如果数据报很大，超过64kb，可以采用两种方法：1>发送方在应用层对应用层数据报进行拆分发送，接收方解析时再进行重组。2>使用TCP
• 16位校验和：
  校验数据传输是否正确。数据内容相同，校验和一定相同；数据内容不同，校验和也可能相同，但是概率很小，可以忽略不计。

在网络传输数据中，生成校验和的知名算法有：
CRC: 将设定的初始值和数据进行合并，然后做除法运算，得到新的值，重复操作，最后得到结果。
MD5 : MD5算法很强大，应用广泛，1>生成校验和；2>作为计算hash值的方式；3>加密。这源于MD5的特性：1>定长；2>冲突概率小；3>不可逆
SHA1: 它也有定长特性，可以用于hash值的计算。

2、TCP协议（重点）

• 4位首部长度：
  一个TCP报头，长度是可变的。不像UDP报头 固定8个字节。首部长度就描述了TCP报头的长度，不包含数据部分。4位首部长度，即4个bit位，可以表示0~15的数。
  这个首部长度的值的单位是4字节（比如值为0001就代表4个字节），我们看TCP报头可以发现，选项以上的内容为20字节，如果选项的部分为0，那么首部长度就应该是5(5x4=20)。

• 40字节选项：
  选项部分用于TCP功能或数据的扩展，提高性能。
  如果首部长度是15，那么选项=首部长度x4-20。所以，选项此时就是40字节。

• 6位保留位：
  保留位置，便于以后方便扩展。

• 6位标志位：
  URG：紧急指针是否有效
  ACK：确认号是否有效
  PSH：提示接收端应用程序立刻从TCP缓冲区把数据读走
  RST：对方要求重新建立连接；我们把携带RST标识的称为复位报文段
  SYN：请求建立连接；我们把携带SYN标识的称为同步报文段
  FIN：通知对方，本端要关闭了，我们称携带FIN标识的为结束报文段

• 16位校验和：发送端填充，CRC校验。接收端校验不通过，则认为数据有问题。此处的检验和不光包含TCP首部，也包含TCP数据部分。和UDP的校验和一样。

• 16位紧急指针：标识哪部分数据是紧急数据。

TCP对数据提供的管控机制，主要体现在两个方面：安全和效率
接下来我们来理解TCP内部的工作机制，这其中就有ACK，SYN，FIN，窗口，序号，确认序号等信息，帮助我们全方面的理解。

2.1、确认应答

确认应答：TCP传输数据时，主机A作为发送方给主机B发送数据，B收到数据后，给A返回一个 ACK，确认B已经收到A发送的数据。

在网络传输中，如果不做特殊处理，可能会存在数据后发先至的问题
比如A给B发送数据本来的情况是：A发B:今天周六，你写代码没？B回A:有。A发B:你找到女朋友没？B回A：没有。

引入编号后，即使出现后发先至的情况(程序上，用户看到的界面则不会发生)， 也不会有上述信息歧义的问题。如下图的情况：

• 32位序号和32位确认序号：
  在TCP中，任何一条数据都是有序号的，包括应答报文。应答报文除了有序号，还有确认序号，普通报文的确认序号字段里的值则无意义，因此可以理解为普通报文无确认序号。
  那么怎么知道报文是不是应答报文？在6位标志位里的ACK值为1则表示这是确认序号，那么报文就是应答报文；为0则表示确认序号无意义，只有序号，因此是普通报文。

在TCP协议中，因为是面向字节流，所以序号并不是按照一条消息，两条消息来编号，而是按照字节的方式来编号的，如下图：

假设第一条数据是1000字节，那么数据第一个字节序号就是1，第二个是2…由于1-1000的数据都属于同一个TCP数据报，所以此时报头中序号是1。接下来假设第二个数据报也是1000字节，第二份数据的报头中序号就为1001，然后…。TCP知道TCP数据报第一个节点的序号，再根据TCP数据报的长度，就可以很容易得到了TCP数据报中的字节序号。
注意：
1>这个字节序号不一定从0开始，是在客户端和服务器建立连接关系时协商确定。
2>确认序号的取值是收到的最后一个数据的序号加1（表示这个序号之前的数据都已经收到，接下来就索要以这个序号开头的数据报）。

2.2、超时重传

在上面确认应答机制中，我们讨论了通过编号解决后发先至，通过确认应答保证TCP传输的可靠性，都是数据可以正常发送接收的情况，但是如果丢包了，那就又会出现问题！

丢包：1>丢失数据 2>丢失确认应答(ACK)

在TCP中，是这样解决丢包的：规定一个超时时间，如果对方还没响应，就重新发一次。

如果是丢失数据，那重传一次完全没问题，但是如果是丢失ACK，那么接收方就受到了两份一样的数据，这是否产生问题？

在TCP中，进一步解决丢失ACK，重传后，接收方收到两份数据的问题：TCP传输，在接收方存在去重操作。
具体情况接着往下看，在说之前我们先来搞清楚什么是缓冲区：在TCP里的每个 Socket对象，都有一个接收缓冲区(也有一个发送缓冲区)，主机B接收到主机A发送的数据时，其实是B的网卡读到数据了，然后把这个数据放在对应的Socket缓冲区中，然后后续应用层通过inputStream流，进一步通过read读取缓冲区的数据。缓冲区可以看成是一个阻塞队列(有序的)，在阻塞队列中的数据等待应用层的读取。
解决：
如果A给B发数据，B回ACK时ACK丢失，那么A给B重新发送这份数据，这时候，这两份相同的数据都会在 B的接收缓冲区中，B通过TCP的传输时的字节序号对比就可以很容易发现这两份数据重复，从而将后一份数据之间丢弃。因此就保证了应用程序调用read读到的数据，一定是不重复的数据。

同时，TCP使用这个接收缓冲区，对收到的数据进行重新排序，从而让应用程序 read的数据是保证有序的！即在客户这里显示的信息就是有序的！

注意：由于由于去重和重新排序机制的存在，发送方只要发现丢包(包括丢数据或丢ACK)，就会重新发送数据，即使数据重复，数据顺序乱了，在缓冲区中都可以解决问题！

解决了丢包一次的问题，那我们想象丢包多次的问题：在TCP中，如果丢包多次，那么就会重传多次，达到一定次数时，会尝试重置连接，如果重置连接还是失败，就彻底断开连接了。通过这样的方式达到"止损"的目的。
而且，重传时间会随着重传次数的增加 超时时间也会延长，从而降低重传频率，节省资源。

注意：TCP可靠性是通过 确认应答+超时重传 的机制实现的。
其中：确认应答描述的是数据顺利传输的情况，超时重传描述的是数据传输失败的处理，二者相互配合，共同支撑TCP的可靠性

2.3、连接管理（重点）

客户端和服务器通过三次握手建立连接，通过四次挥手断开连接。

2.3.1、三次握手

三次握手的作用：
1> 保存通信双方之间的信息，彼此之间相互认同
2> 验证双方的发送能力和接收能力是否正常
3> 在握手的过程中，通信双方来协商一些重要参数（比如传输的TCP数据的序号是否从1开始)

接下来我们来理解理解三次握手作用1和作用2：
作用1：建立彼此之间相互认同。这个建立连接的过程，就像两个人恋爱建立关系的场景一样，如下图：
“三次握手” 本质上是 “四次交互” 。通信双方，各自给对方发送"建立连接"
的请求，同时，再各自返还给对方一个ack，这里是有四次信息交互，但是中间两次交互合并变成一次交互，所以变成三次握手。

作用2：验证双方的发送能力和接收能力 还是上述例子：再加上男女双方都是程序员这个条件。
当女方收到男方发来的表白时(第一次握手)：女方是知道男方的数据发送功能完好，并且知道自己接收数据的功能完好；男方什么都未知。
当男方收到女方发来的表白时(第二次握手)：男方知道自己的消息已经被女方收到，且自己够接收到女方发来的数据，所以男方的发送和接收功能完好，女方的接收和发送功能也完好。所以此时男方知道了双方的发送河接收信息的功能都完好；但此时女方还不知道自己发送功能是否完好，男方接收功能是否完好。
女生收到男生发的好啊(第三次握手)：女生也可以确认双方通信完好了。

为什么不使用2次握手建立连接？或者4次握手？
如果使用2次握手，那上述例子的最终结果是：男方知道双方 发送和接收信息能力完好，但是女方不知道自己发送功能是否完好，男方接收功能是否完好。
如果使用四次握手，那中间的两次发送是两次封装分用，比一次封装分用成本更高！

三次握手图：ACK=1是标志位，Ack=123457是确认应答数据。

可以简化为下图：

2.3.2、四次挥手

断开TCP的连接采用四次挥手的方式。

四次挥手的场景和情侣分手的场景很像，如下图：

为什么中间两步不能合并成一步操作呢？四次挥手断开连接的图可以简化为下图：
在建立连接时，使用的是三次握手，将中间两步和并成一步解决(为减少成本)，但是断开连接这里却不能将中间两步合并，因为中间两步中ACK和FIN的时机是不一样的！！！

1. 在建立连接时：可以将中间两步和并，是因为这两步时机相同。因为这三次握手是纯操作系统内核操作的；服务器的操作系统内核接收到 SYN后，立即返回 ACK和SYN给客户端，在程序员这里其实是感知不到的。
2. 在断开连接时：不能将中间两步合并，因为这两步时机不同。FIN的发起，则不是由内核控制的，而是由应用程序控制，socket的close方法(进程退出)，才会触发FIN。所以服务器收到FIN后，会立即返回ACK，但是等一会在应用程序中调用Socket的close时才会继续返回 FIN给客户端。

2.3.3、TCP建立连接和断开连接状态

• 建立连接状态：
  1> LISTEN 服务器的状态，表示服务器已经就绪，客户端可以随时来连接
  2> ESTABLISHED 表示自己已经和对方建立连接，客户端服务器都有，就表示建立连接完成！
• 断开连接状态：
  1> CLOSE_WAIT 出现在被动发起断开连接的一方，如果客户端主动发起，CLOSE_WAIT出现在服务器，如果服务器主动发起，CLOSE_WAIT出现在客户端。 等待关闭，应用程序中调用Socket的close，销毁Socket。
  2> TIME_WAIT 出现在主动发起断开连接的一方。假设是客户端发起的断开连接，如下图：在TIME_WAIT前，已经完成了第四次挥手(客户端给服务器发送ACK)，但是ACK还没有到服务器，所以客户端等待一会。如果客户端在等待的过程中，其实这个ACK已经丢包，无法到达服务器了，服务器根据超时重传的机制，会重新发送FIN 给客户端，因为客户端处于TIME_WAIT状态，此时客户端就可以再次发送ACK给服务器。
  TIME_WAIT具体等待 2MSL（MSL是在互联网上，两个之间数据传输消耗的最大时间，MSL通常情况是60s）。如果客户端等待 2MSL后，还没收到服务器发来重传 FIN，就认为之前发送的ACK已经到达服务器，就不再等了，可以关闭客户端了！

注意：确认应答、超时重传、连接管理为TCP传输的可靠性提供了支持

2.4、滑动窗口

TCP协议相比于UDP引入了可靠性，但是也因此降低了效率，而滑动窗口就是为了相对地提高效率，为可靠性造成的效率低做的补救措施。

滑动窗口本质上是降低了确认应答，等待ACK消耗的时间。
（进行IO操作的时候有两种情况：1>等待 2>传输数据）

滑动窗口使用批量发送一组数据的方式，用等待一份ACK等待的时间等待多份ACK，这种是数据传输正常的情况，如果出现丢包，那怎么办？

1> 数据丢了 ：发送发收到连续3次相同的ACK，就重发这份ACK对应的数据。在下图中1000-2000的数据丢了，接下来2001-3000到达主机B后，B给A返回的确认序号仍为1001(即向A索要1001-2000的数据)，A收到B返回的3次1001ACK后，A就知道B未收到1001-2000的数据，就将这一份数据重发给B了。此时B已经收到1000-7000的数据，所下一个ACK就B向A从7001开始索要数据了。

2> ACK丢了：不需要做任何处理，因为一组中包含多个ACK，即使丢了一两个，只要不是全丢，由于滑动窗口的滑动和 ACK确认序号的含义(这个ACK序号之前的数据已经到达)，仍可以继续往后执行。
比如A给B发送数据1-5000，窗口大小是6000，那么如果是B返回给A的1001这个ACK丢了，但是只要2001(或3001…6001）ACK返回给A，那么就代表2001之前的数据B已经收到，所以A不需要超时重传。

• 快速重传：发送数据是丢失数据，如果此时传输数据比较密集，是按照滑动窗口的方式传输，此时按照 “快速重传” 来处理数据丢了。
  超时重传：发送数据时丢包（包括数据丢和ack丢），如果此时传输数据稀疏，不再按照滑动窗口的方式传输了，那就按照超时重传的方式解决丢包问题！

• 16位窗口大小：窗口大小并不是固定的64kb(2^16-1)，TCP在选项中引入了扩展因子，来扩大窗口大小。比如扩展因子是1，那十六位窗口大小就向左移1位，64kb->128kb。

2.5、流量控制

在滑动窗口的基础上，做的操作。

滑动窗口，窗口大小越大，传输效率越高(一份时间，等待的ACK越多)，但是窗口效率还得看接收方的最大处理能力来控制，发送方的发送速度，不能超过接收方的处理能力。

流量控制：根据接收方的处理能力，来协调发送方的发送速率

接收方的处理能力：用接收缓冲区剩余的空间来表示接收方的处理能力。

当接收方窗口大小较大时，发送方会增大发送速率；接收方窗口大小较小时，发送发会减慢发送速率。
如果接收方缓冲区无剩余空间了，窗口大小就为0，那么发送方暂时不再发数据，而是定期给接收方发送窗口探测，等接收方把缓冲区的数据消耗了，空出位置后，发送方发送窗口探测后，接收方返回一个ACK，发送方就再根据ACK设定窗口大小。

2.6、拥塞控制

在滑动窗口的基础上做的操作。

流量控制和拥塞控制共同决定发送发的窗口大小，取二者中较小的。

流量控制描述的是接收方的处理能力对发送发窗口大小的控制；
拥塞控制则是网络中中间节点的处理能力(类比木桶原理)

拥塞控制解析：拥塞窗口(尝试以多大的窗口进行发送)，随着传输轮次的改变，窗口大小在不断改变。不丢包时，窗口大小在增长，当丢包时，窗口大小瞬间变小，然后再试探，最后达到动态平衡的情况。

2.7、延时应答

在滑动窗口的基础上做的操作。

在滑动窗口的基础上，接收方收到数据时，延时返回ACK，在延时过程中，接收方把接收缓冲区的数据先消耗一些，这样接收方的剩余空间就大，返回给发送方的ACK中的信息中窗口大小信息就大，发送发接收到ACK后，指定的窗口大小就大，那么发送方的发送速率就快。

2.8、捎带应答

在延时应答的基础之上做的操作。

三次握手是一定会合并的，这里的延时应答和四次挥手(中间两步合并的)的情况相似，在四次挥手中，如果应用程序执行到close和B返回给A一个ACK的时间间隔很小很小，也是有可能合并ACK+FIN的。而这里是因为B延时应答，所以为中间两步合并提高了更大的概率。
捎带应答的原则是能合并则合并。

2.9、面向字节流

面向字节流存在"粘包问题"：由于TCP是面向字节流的，所以读数据时的个数是随机的，这样就可能导致发送的两份数据连在一起，导致一次读到的可能是半份应用层数据报，或者各半份应用层数据报。

解决办法：
1> 在每份应用层数据报后加\n作为标识符(标识符得是数据中不存在的)；
2> 在应用层结构中约定好每个包的长度

2.10、异常情况

传输过程中因不可抗的因素，出现了异常。

1.进程崩溃
2.主机关机(正常关机)
3.主机断电
4.网线断开

注意点1：1出现时，进程对应的PCB没了，PCB中的文件描述符表就没了，相当于Socket调用close关闭了，因此会正常执行四次挥手，只是此时接收方不是返回FIN给发送方，而是返回RST给发送方，从而发送方不需要进入TIME_WAIT状态，而是收到RST立即释放资源并尝试重新建立连接。2出现时，关机前先关进程，也是会四次挥手。
注意点2：3和4出现时，就无法完4次挥手。
如果接收方断电了，发送方在发送数据，发送发无法收到接收方发来的ACK，然后超时重传，仍然无法收到ACK，重传几次尝试重置TCP连接(复位报文段RST)，连接不上A就彻底放弃和B连接了。
如果发送方断电了，接收方会隔一段时间给发送发发送一个消息"心跳包"，来确定发送方是否还在工作。如果发送方无反应了，接收方就会断开连接。

2.11、小结

1. 确认应答，超时重传共同保证了TCP可靠性。
2. 三次握手为TCP的建立连接提供支持，四次挥手为TCP的断开连接提供支持
3. 流量控制、拥塞控制、延时应答都是在滑动窗口的前提下做的策略；捎带应答是在延时应答的基础上做出的策略
4. 处理粘包情况可以加标识符或指定应用层数据报大小；理解清楚异常有哪些，导致的情况有哪些。

3、UDP和TCP的对比

TCP：保证数据可靠传输
UDP：性能高

UDP应用场景：
1>同一个机房内部的服务器之间通信(丢包概率小，且即使丢了也没啥事)
2>UDP天然支持广播。
     IP地址中有一种特殊的地址叫做"广播IP"，通过UDP往
     广播IP上发送数据报，此时这个IP的局域网内的所有设备都能收到广播！


游戏需要的传输层协议：在游戏上既需要可靠，有需要效率，但是UDP牺牲了可靠换来了效率，TCP牺牲了效率换来了可靠，因此都不符合游戏的应用场景，在游戏中，传输层协议需要一个效率和可靠性都兼备居中情况。

三、网络层

网络层主要做两件事：1>地址管理 2>路由选择
网络层最知名的协议就是IP协议。

1、IPv4协议

• 4位版本号：只有两个取值4和6，代表IPv4和IPv6。

• 4位首部长度：和TCP的4位首部长度一样，描述了IP报头长度，是可变的，且用法相同。

• 8位服务类型(TOS)：说是8位，只有4位有效，这四位中只有一位可以是1，其它位是0。4位就表示IP协议中的四种工作模式。四种工作模式分别为：最大延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小：成本，只能选四者中的一个。

• 16位总长度(字节数)：描述了一个IP数据报的长度，报头+载荷。可以知道因为16位的限制，IP数据报最长是64kb。那如果超过64kb，如何处理? IP协议支持对数据报的自主 拆分和组装。 传输层协议UDP则需要程序员手动在代码中完成拆分和组装。
  实际的IP数据报的长度并不一定达到64kb，往往会更小，这取决于数据链路层。

• 16位标识，3位标志，13位片偏移：这几个字段都是辅助拆包，组装提供的信息。同一个数据拆成的多个包的16位标识符是一样的，3位标志位描述了结束标志(就是在最后一个包中加上结束标志)，13位片偏移标识了同一个数据拆成的多个包的先后顺序。

• 8位生存时间(TTL)：一个数据报在网络上能够传输的最大时间(这个时间指的不是"秒"而是"次数")，这个数据报构造出来就有一个初始值，在传输中每经过一个路由器转发，TTL-1，如果TTL=0了数据还没到达，这个数据就丢包了，且这个包不可能到达对面。

• 8位协议：描述了载荷部分内容是属于哪一个传输层协议的，如UDP，TCP…

• 16位头部校验：这里只对IP报头首部校验，载荷已经在之前由传输层校验了。

• 32位源IP，32位目的IP：根据源IP和目的IP规划路径。

接下来我们进一步思考和理解：

IPv4的IP只有32位，表示的数只有0-42亿。为了解决IP不够用的场景就有了一些列的方法：
1> 动态分配地址。
2> NAT网络地址转换。
3> 使用IPv6从根源上解决问题。

1.1、NAT网络地址转换

使用NAT后，IP可以不用指一个设备，而是代指一批设备。比如你的校友一同使用你的学校这个IP，而每个同学之间使用端口号区分开。

在NAT的背景下，把IP分成了两大类：
内网IP(私网IP)：（10.* ) （172.16.* -172.31*）（192.168.*）
外网IP(公网IP)：剩下的为公网IP

NAT要求，公网IP是唯一的，私网IP在不同的局域网中可以重复出现。

如果私网设备想要访问公网设备，就需要对应的NAT设备(路由器)，把IP地址进行映射(用路由器的IP替换要访问公网的私网IP)，从而完成网络访问。(见下图)，同时，此时服务器这边的响应数据的目的ip就变成运营商路由器了，运营商路由器收到响应后，再根据私网ip对应的端口转发回响应。
具体操作是：路由器会维护一张NAT表，记录私网IP和端口对应的公网IP和端口，以便于在路由器收到响应后，能正确响应给相应的私网IP和端口。
反之公网的IP不能访问私网IP，私网IP之间也不能相互访问。

2、IPv6

IPv4使用4个字节(32位)表示IP地址，表示范围是0~42亿9千万。
IPv6则使用16个字节(128位)表示IP地址，表示范围并不是IPv4的4倍，而是42亿 * 42亿 * 42亿 * 42亿。

注意：IPv6和IPv4不兼容

3、地址管理

3.1、IPv4地址的组成

网络号：标识网段(局域网)，保证相互连接的两个局域网具有不同的标识（要保证相邻的两个局域网的网络号不同）。
主机号：标识主机，同一个局域网内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

注意：划分出网络号和主机号的目的就是为了组网。

3.2、子网掩码

子网掩码：一个IP地址，怎么区分哪些是网络号，哪些是IP号? 通过子网掩码

这个图中前三个字节的每一个比特位(24个比特位)都是1，代表前面的这三个字节表示网络号，后一个字节的8位比特位为0，表示后一个字节表示主机号。

但注意：网络号的表示并不一定就是前3个字节！具体要看子网掩码！

特殊IP：

4、路由选择

路由选择就是规划路径。

路由选择，核心思路就是问路！
每一个路由器都会保存周围一定设备的信息(发送方的IP和端口，以及接收方的IP和端口，使用哈希表建立关系)
每次有一个IP 数据包经过路由器，它就会查找哈希表以确定下一步数据包发向哪里，如果哈希表中没有目标IP地址的匹配项，路由器将使用默认路由将数据包转发到预定的下一个路由器。即去一个地方时，如果找不到具体的路，就根据大体方向走过去再问路。

这个数据包每经过一个路由器，TTL（8位表示，最高2^8-1）TTL-1，如果数据包的TTL-0了，那就永远也到不了接收方那里！就被丢弃了。

四、数据链路层

考虑两个相邻节点数据的传输。（通过网线/光纤/无线直接连接的两个设备。 数据链路层最知名的协议就是 “以太网”。

1、以太网数据帧

以太网数据帧=帧头+载荷+帧尾。（0800类型载荷为完整的IP数据报）

注意：此处目的地址和源地址并非IP地址而是一个mac地址，mac地址和IP地址完全独立，是另一套地址体系。
mac地址使用6字节表示，数量比IPv4大很多(有两百八十亿万多)，因此每个设备都能分配到一个mac地址，这个地址不是动态分配的，是网卡 出场时就被设置好的。

IP地址和mac地址是相互配合，共同完成数据传输的。
IP地址是网络层协议，关注的是源发送方的IP和目的接收方的IP，从而规划路径；
而mac地址是数据链路层以太网协议的地址，从而考虑相邻节点数据的传输，是当前转发设备的mac和传输到下一个节点的 mac地址。

2、以太网数据报的类型

数据链路层中的另外的协议：ARP协议，通过这个协议，可以在路由器/交换机 里创建一个关于IP和mac的哈希表，从而在当前设备根据IP地址找到mac地址。

3、数据链路层 MTU

下图为以太网数据帧，载荷的长度即为MTU，载荷具体多长，和物理介质有很大关系，也和数据链路层使用的协议有很大的关系。

IP的分包组包通常不是使用IP的最大报文长度64kb来分开的，而是通过数据链路层的MTU。因为MTU一般都比64kb小。