网络原理（一）网络基础，包括IP ，网络相关的定义

网络基础

以下图片是书上的网图。

什么是IP地址？

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。P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：通常是一个32位的二进制数，被分割成4个8位二进制

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
  
  

这个因为时代问题，现在大部分存在的IP地址通常都是 IPv4 ，使得所有的IP地址会有用完的一天。此时就有可能出现IP不够用的一天，并且在中美问题出现问题的今天，IP地址的分配是有美国进行全球分配的，对于国防和网络安全存在隐患，所以经过国家统一调度，使得国内的设备现在支持两种 IP 方式，也就是 IPv6 和 IPv4，目前国内还在沿用 IPv4 ，但是遇到 特殊状况，就可以随时启动 IPv6 ，规避风险。

在上述分类中：存在 IP 地址浪费的问题：

1. 单位一般会申请B类网络（C类连接主机数量有限），但实际网络架设时，连接的主机数量又常远
   小于65534（B类连接主机数），造成IP地址浪费；同理，A类网络的IP地址也会造成大量的浪费。

2. 当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时，如果
   在申请新的网络就会造成浪费。

而为了解决子网掩码的问题，引入了子网掩码来进行子网划分。

什么是子网掩码？
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

作用：
划分A，B，C三类 IP 地址子网

如一个B类IP地址：191.100.0.0，按A ~ E类分类来说，网络号二进制数为16位网络号+16位主机号。假设使用子网掩码255.255.128.0（即17） 来划分子网，意味着划分子网后，高 17 位都是网络位 / 网络号，也就是将原来16位主机号，划分为1位子网号+15位主机号。

IP地址组成为：网络号+子网号+主机号，网络号和子网号统一为网络标识（划分子网后的网络号 / 网段）

• 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。

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。
  

特殊的 IP 地址
主机号微 0 的 ip ，192.168.0.0 就是网络好，局域网里不应该存在某个主机，主机号微 0
主机号全为 1 的IP ，广播地址，往这个地址发送UDP 数据包，此时的数据包就会发给整个局域网中的所有主机（TCP不支持广播）
IP 为 127开头，127.* 称之为环回 ip，这个 ip，走的是虚拟网卡，没有IO操作，纯内存操作，所以要比一般IP要快

冲突域

在解释冲突域和一下的问题时首先要明白，路由和MAC以及交换机的作用，这个在我的 Java 网络编程中有体现。

什么是冲突域？

主机之间通过网络设备（集线器、交换机）的物理端口、网线相连时，两个主机在同一时刻同时发送数
据报，如果存在冲突，则该网络范围为一个冲突域（Collision Domain）

冲突域是基于第一层物理层，又称为碰撞域。

• 集线器接收到数据报后，是将数据报简单的复制、转发到其他所有端口，如果有两个数据报要同时转发，就会出现冲突。整个集线器，即集线器的所有端口为一个冲突域。
• 交换机接收到数据报后，是将数据报转发到对应的一个端口：两个数据报同时转发到不同端口不存在冲突，但同时转发到一个端口就出现冲突。即交换机可以分割冲突域，分割后，一个端口为一个冲突域。

广播域

什么是广播域？

广播域基于第二层数据链路层。

广播是指某个网络中的主机同时向网络中其它所有主机发送数据（IP、MAC地址设置为广播地址），这个数据所能传播到的范围即为广播域（Broadcast Domain）。

• 集线器接收到广播数据报，仍是简单的复制、转发到其他所有端口，所以集线器的所有端口为一个广播域。
• 交换机接收到广播数据报，会转发到其他所有端口；而路由器可以隔离广播域

网络数据传输流程的过程我也在我的 Java 网络编程的中也有体现，并且更加通俗

局域网传输流程：集线器

1. 发送端在本机ARP缓存表中，根据目的IP查找对应的MAC地址
2. 如果找到，则可以在数据链路层以太网帧头中，设置目的MAC并发送数据包
3. 如果没有找到，需要先发送ARP广播请求，让接收端，即目的主机告诉自己，目的MAC是多少
4. 发送端更新本机ARP缓存表：保存目的IP与目的MAC的映射
5. 有了目的MAC，就可以按照第（2）个步骤发送数据了。

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。

• 域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com
• 域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点
  • 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了数量。（DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器）
  • 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成（Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts 文件中，Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中。）

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：（浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。）

• 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。

NAT

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；

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；

NTA将所有的IP地址分为了两大类

1. 内网 IP：10.* 172.16.* -172.31.* 192.168.*
2. 外网 IP：其他的 IP 地址
   只要求外网IP唯一，内网IP在不同的局域网中，是允许重复的（同一个局域网里不允许重复）

在NAT 背景下如何通信？
外网设备—》外网设备，不需要任何NAT，就能直接通信
内网设备—》其他内网设备，不允许
外网设备—》内网设备，不允许
内网设备—》外网设备

• 对应的内网设备的路由器，出发NAT机制进行 IP 替换，此时就会给这个网络数据包的源 IP 替换成路由器自己的IP（此时一个外网IP，就能代表一大批内网的设备了）

IP不够的问题—》动态分配 + NAT 解决

NAPT

那么问题来了，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？

这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系

NAT技术的缺陷：

由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销；
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开；