javaEE -9（7000字详解TCP/IP协议）
一： 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。
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。
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。
1.1 IPv4和IPv6
IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。此后，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。
1.2 IP地址的组成
IP地址分为两个部分，网络号和主机号
- 网络号：标识网段（标识一个局域网），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（标识了一个局域网内的主机），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，那么，我们该如何划分网络号和主机号呢？
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示：
| 类别 | 范围 | 适用网络 | 网络数量 | 主机最大连接数 |
|---|---|---|---|---|
| A | 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 | 大型网络 | 126 | 16,777,214 （224-2） |
| B | 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 | 中等规模网络 | 约16,000 | 65,534 (216-2) |
| C | 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 | 小型网络 | - | 254 (28-2) |
| D | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 | - | - | - |
| E | 240.0.0.0 ~ 247.255.255.255 | - | - | - |
请注意，类别 D 和 E 用于特殊用途，不分配给实际的网络和主机,主机最大连接数减去2，是扣除主机号为全0和全1的特殊IP地址。
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。
在上述的分类中，存在IP地址浪费的问题：
- 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，并且想将该网络中的IP地址再分给它下属的几个小单位时，那么这将导致IP地址资源的浪费，因为每个下属单位都需要一个独立的网络号，那么这将导致IP地址资源的浪费。
为了解决以上问题，引入子网掩码来进行子网划分。
1.3 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。
子网掩码的作用：
- 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。
此时，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。
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。
1.4通过IP地址和子网掩码计算主机号
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，IP地址减去网络号，剩下的就是主机号
让我们以一个例子来说明。假设有一个IP地址是192.168.0.100（以点分十进制表示），并且子网掩码是255.255.255.0。我们将它们转换为二进制形式：
通过使用子网掩码进行逻辑运算，我们可以将给定的IP地址分为网络部分和主机部分。以下是具体的步骤：
-
将IP地址和子网掩码都转换为二进制形式。
IP地址：192.168.0.100
子网掩码：255.255.255.0转换为二进制：
IP地址：11000000.10101000.00000000.01100100
子网掩码：11111111.11111111.11111111.00000000
子网掩码11111111.11111111.11111111.00000000 意味着划分子网后，高24位都是网络位/网络号，剩下的8为是主机号
-
进行逻辑运算（按位与）。
将IP地址的每一位与子网掩码的对应位进行逻辑与运算。
IP地址：11000000.10101000.00000000.01100100
子网掩码：11111111.11111111.11111111.00000000网络部分：11000000.10101000.00000000.00000000
-
得到网络部分和主机部分的二进制值后，可以将它们转换回十进制形式。
网络部分：11000000.10101000.00000000.00000000
主机部分：00000000.00000000.00000000.01100100转换为十进制形式：
网络部分：192.168.0.0
主机部分：0.0.0.100
通过子网掩码可以将一个IP地址空间划分成多个子网。子网掩码是一个32位的二进制数字，其作用是指示哪些位是网络部分，哪些位是主机部分。
通过使用子网掩码进行地址划分，可以将一个IP地址空间合理地分配给不同的网络和主机。这样就避免了IP地址的浪费，因为每个子网都可以被包含在一个更大的地址范围内，而不需要使用单独的IP地址。
例如，如果我们有一个IP地址段为10.0.0.0/24（子网掩码为255.255.255.0，/24代表子网掩码的长度），这意味着有256个可用的IP地址（从10.0.0.0到10.0.0.255）。如果我们将这个地址空间划分为4个子网，每个子网有64个可用IP地址，那么我们可以使用10.0.0.0/26、10.0.0.64/26、10.0.0.128/26和10.0.0.192/26。
这对于大规模的网络环境尤为重要，因为IP地址是有限的资源，通过子网划分，我们可以更有效地利用IP地址，避免浪费。
二： 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，即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）
MAC地址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。
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。广播数据报有一个特殊的MAC地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF
2.1 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：
就好比唐僧去西天取经，行程为长安、五指山、黑风山、女儿国……大雷音寺。
IP地址描述的是路途总体的起点和终点：
- 源IP就是整个行程的起点：长安；
- 目的IP对应为整个行程的终点：大雷音寺
而行进也必须一个地点一个地点的前进，由MAC地址来描述路途上每一个区间的起点和终点：
- 从长安到五指山，为一跳的区间，源MAC为长安，目的MAC为五指山；
- 从五指山到黑风山，为下一跳的区间，源MAC为五指山，目的MAC为黑风山。
2.2 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。
三：网络设备及相关技术
3.1 集线器：转发所有端口
集线器是工作在物理层的网络设备，发送到集线器的任何数据，都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口。（端口指集线器后边的物理端口）
3.2 交换机：MAC地址转换表+转发对应端口
交换机工作在数据链路层，交换机内部会记录并维护一张MAC地址转换表：
- MAC地址转换表主要记录MAC地址与端口之间的映射。（端口指交换机后边的物理端口）
- 主机连接到交换机，及主机发送数据的时候，交换机可以学习并记录该主机MAC地址与端口信
息。 - 交换机接收到数据报以后，在MAC地址转换表中，通过目的MAC查找到对应的端口，则目的主机为该端口相连接的主机。只需要将数据报转发到对应端口上即可。
4. 以上是使用MAC地址转换表，通过目的MAC能找到对应端口的情况；如果找不到，交换机设置数据报目的MAC为广播地址FF:FF:FF:FF:FF:FF，发送到其他所有端口，目的主机返回响应后，交换机再记录该主机MAC与端口的映射信息。
3.3 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：
- 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；
此时还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），Windows中可以在网络设置中，更改适配器设置查看网关IP：
以上两种情况，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：
3.4 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：
- 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。
- 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。 - 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。
这个过程类似于QQ群喊话：张三（下一跳设备IP地址），我要给你发快递（发送数据报），请告诉我你的收货地址（MAC地址）。参见以下流程：
3.5 路由器：路由+NAPT
路由器主要有两个作用：
- 网关
公网是指连接全球范围的互联网，它由各种网络设备和基础设施组成，用于在全球范围内实现信息传输和数据交换。公网可以被任何人访问和使用，例如访问网站、发送电子邮件、视频通话等。
子网是指在一个大的网络中划分出来的较小网络。一个IP地址由两部分组成：网络部分和主机部分。子网允许对大型网络进行细分管理，并提供更高效的数据传输和资源分配。通过在网络中定义子网掩码，可以确定IP地址的网络部分和主机部分。
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，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。）
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。
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。
- 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。
3.6 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。
-
所谓的冲突，类似两个人（主机）在一个房间（网络范围）同时说话，导致房间内其他人无法听清讲话的内容，即产生了冲突。
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冲突域中的网络通信，要解决冲突，就得按时间顺序来发送多个数据报：同一时刻，网络设备只能接收并转发一个数据报，多余的会丢弃，让发送端主机重新发送。
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。
3.7 广播域
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）。
广播域基于第二层数据链路层。
- 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
路由器某个LAN口网卡接收到广播数据报，如果发现是同网段，则丢弃，即广播数据不会扩散到路由器以外。
3.8 网络数据传输流程
3.8.1 局域网传输流程：集线器
使用集线器网络互联的情况下，发送端主机发送数据包时，需要先从上到下封装数据报。但封装时，目的MAC可能并不知道，需要先进行ARP寻址：
- 发送端在本机ARP缓存表中，根据目的IP查找对应的MAC地址
- 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
- 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
- 发送端更新本机ARP缓存表：保存目的IP与目的MAC的映射
- 有了目的MAC，就可以按照第（2）个步骤发送数据了。
如果本机ARP缓存表中找不到目的MAC，则需要先发送广播请求：
3.8.2 局域网传输流程：交换机
3.8.3 局域网传输流程：交换机+路由器
3.8.4 广域网数据传输流程
