JavaEE——网络原理(网络层 IP协议与数据链路层)

一、详细解释 IP协议

注：在这里我向大家描述的 IP协议是 IPv4。

如上图所示，这就是 IP 协议头的格式，下面我会分别解释他们其中每一个部位所包含的含义。

• 4位版本
  这就是指定 IP 协议的版本，对于 IPv4 而言，就是4。
• 4位首部长度
  描述了 IP 报头的长度。(IP 报头是一个变长的)
  报头中有一个选项部分，是边长的，可有可无。 此处的单位也是 4 字节。
• 8 位服务类型
  这里看似说是 8 位，但是实际上只有 4 位是有效的。这 4 位中只有 1 位可以是 1，其余均是 0 。
  这 4 位就表示的是 IP 协议的 四种形态 / 四种工作模式。

上述提到的四种形态分别是：
最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。
对于上面的 四种形态，实际开发中可以根据不同的需求来切换 IP 的模式，以达到最优效果。

• 16位总长度(字节数)
  描述了一个 IP 数据报的长度。(头+载荷)
  这里的这个长度减去前面的 IP 报文长度，剩下的就是 载荷长度。(一个完整的 TCP / UDP 数据报长度)

16 位总长度，这是否就意味着一个 IP 数据报，最大只能支持 64kb？
这个限制确实是存在的，但是，IP自身就支持对包的拆分的组装。
简单举例：
发送方： 将 100kb 的数据，交给传输层(封装).网络层就把这个 100kb 的数据进行拆包，(假设拆成两份 64kb + 36kb)。
之后再将这两份数据交给数据链路层，由以太网封装成两个数据帧
接收方： 数据链路层，针对两个数据帧进行分用，得到两个 IP 数据报，交给网络层。网络层针对这两个 IP 数据报进行解析，将里面的载荷拼接成一个，再交给传输层。

• 16位标识 / 3位标志 / 13位片偏移
  这三点分别表示的是：
  同一个数据拆开的多个包标识相同。
  结束标志。
  标识了多个包的先后顺序。
  总的来讲，这里的三点都是辅助 拆包 / 组包。

• 8 位生存时间(TTL)
  这各代表的是，一个数据报在网络上可以传输的最大时间。
  这里所说的时间单位不是 “秒” 而是 “次数”

当一个数据报被构造出来，就会有一个初始的 TTL 数值(比如 32 或者 64…) 这个数据报每一次经过路由器转发，TTL - 1
如果一直减少到 0 ，还没有到达目标，此时就认为这个包永远无法到达，可以丢弃了。

• 8 位协议
  这里存放的是当前载荷部分的内容是属于那个协议的。(TCP / UDP)

• 16 位首部校验和
  此处只需要对首部进行校验，载荷部分(TCP / UDP 数据报)自身已经有校验和了。

假设，此处传过来的校验和不一致。
此时数据将会直接丢弃，IP 不负责重传。如果上层使用 TCP，TCP 会在没有收取到 ack 后进行重传。

• 32 位源IP地址 / 32 位目的IP地址
  IP 地址，是IP协议中最重要的部分。
  这两个地址，分别表示的是发送端和接收端。

在我们日常见到的 IP，就是一串数字。这里是将 32 位 4 个字节的数字给分割开来，分成四个部分。每个部分都分别使用 0~255
十进制整数进行表示。

二、解释 TCP 和 IP 之间的联系和区别。

在前面的文章中，我已经向大家解释了在网络传输中 TCP 的相关知识。我们知道，TCP 有一个特点：可靠传输。
呢么，这里就有一个问题，既然 TCP 是进行传输工作的。我们现在介绍的 IP协议，也是进行传输工作的，
呢么，这两者之间有什么不一样的地方，这就很值得探讨一下。
区别：
首先，我们先来简单的了解 TCP 和 IP 的区别：

1. TCP：叫做 传输控制协议，面向连接的，端对端的，可靠的，基于IP的 传输层 协议
2. IP：叫做 因特网协议，位于 网络层，IP 协议规定了数据传输时的基本单位和格式。

如上图所示，这张图是我们在初次认识到网络时就见过的 五层网络模型

通过上面的解释，发现 TCP 和 IP 分别在两个不同的层级。
联系：
对此，我们可以通过上面的信息得出两者之间的联系：IP 通过接受来自 (更低层级：数据链路层) 发送过来的数据报，并将该数据报发送到更高层(传输层)——TCP 层；反之，IP 层也可以将 TCP 层的数据报转发到更低层进行传输。

总结：
总的来看，TCP 和 IP之间有着明确的分工：
IP 提供无连接，不可靠，尽最大的可能将数据报交付的工作。进行主机间的通信。
TCP 则是对数据报进行更精细的加工，面向对应用层提供服务，确保传输的可靠性。

形象的来讲，这就像是我们在网上买快递。
这里的 TCP 就像是 “商家”，对我们的商品进行比较详细的包装 然后递交给 “快递员” ，也就是 IP。
同样的，要将这个 “快递包裹”，发送到我们用户的手中，就只需要对上述操作进行反向即可。

UDP 和 TCP 之间的区别不是很大，如果还想要了解整体工作的性质，可以看看这篇文章： JavaEE 网络原理——TCP的工作机制(初篇 包含 UDP 协议的再次阐述)

三、IP协议——地址管理

将一个 IP 地址分为两部分，一个叫网络号，一个叫主机号。

• 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，在同一个网段内，主机之间可以有相同的网络号，但是必须要有不同的主机号。

简单举例：
如，192.168.0.10 这个 IP 地址。
网络号为：192.168.0
主机号为： 10
以这个 IP 地址组建一个 局域网，呢么，当前局域网下的设备，网络号都为 192.168.0

简单展现一个典型的局域网环境，如图：

通过上图，简单明了的解释了在局域网中，网络号和主机号的用法。但是，在这里，我们又引入了一个新的信息——WAN口 和 LIN口。

其实这也不难理解，下面我就简单的解释一下两者的功能。
如图，这就是路由器上的 WAN口 和 LIN口。

WAN口： 主要是用来联系局域网。(往大了将就是连接互联网)
LIN口： 就是将多个用户主机连接到一个局域网中。

到这里，我们已经了解了什么是网络号，什么是主机号。但是还有一个问题，它们两个是怎么界定的？是依据什么来划分的？

其实这里还有一个单独概念——子网掩码

如图所示，这里的 255.255.255.0 就是子网掩码。将其以二进制的形式表述出来就如下图：

这里 1 的部分就描述了 IP 有多少位是网络号。
所以，也就是说，网络号不一定就是前三个字节，是可以调整变化的。

四、数据链路层

如上图所示，数字链路层更加接近网络传输的底层逻辑。
明确的来讲，数据链路层所考虑的就是两个节点之间的传输。(也就是通过网线 / 光纤 / 无线,直接连接两个设备)

在这里的典型协议有很多，其中最知名的就是 “以太网协议”。
这个协议即规定了数据链路层，也规定了物理层的内容。
我们日常生活中使用的网线，就叫做 “以太网线”。(就是遵守以太网协议的网线)

图示以太网数据帧，如下：

如上图所示，我们可以得到一个以太网数据帧的格式：
以太网数据帧 = 帧头 + 载荷 + 帧尾

• 帧头
  这里的帧头包含了三个要素，分别是：目的地址、原地址、类型(这里的类型有三种：IP、ARP、RARP)。

解释说明此处 目的地址、原地址：
此处使用的 不是 IP 地址 表示，而是设置了一个 mac 地址。

问题1： 这里的 mac 地址是什么？

解释：
这是一个物理地址，这个地址是完全独立的，是另外一套地址体系。
大小为 6 字节(相较于 IPV4 地址大很多) 当前的每一个设备都会有一个唯一的 mac 地址。
这个地址不是动态分配的，而是网卡在出厂时就已经被设置好了。

问题2： 这里的 mac 和 IP 之间是如何相互配合的？

解释：
在这里，IP 地址和 mac 各司其职
IP 在这里宏观描述传输过程的起点和终点。
mac 在这里详细描述两个相邻节点的起点和终点怎么走。
假设从北京出发到南京
通过网络层(IP)，规划出了如下图的路径，选择走那条更合适的路径：

在 数据链路层(mac)中，就是考虑两个节点之间如何走。
这里我们假设选择第二条路线。如图：

• 载荷
  这里的载荷就是完整的 IP 数据报

• 帧尾

• 在这里不是很重要就不再多进行解释了。