【JavaEE】_网络层

目录

1. 网络层的工作

2. IP数据报

3. 地址管理

3.1 IP地址不够的问题

3.1.1 方案一：动态分配

3.1.2 方案2：NAT机制（网络地址转换）

3.1.2.1 将IP地址划分为2类

3.1.2.2  NAT转换的实现

3.1.3 方案3：IPV6地址

3.2 网段划分

3.2.1 分类的IP地址

3.2.2 无分类编址CIDR

4. 路由选择

4.1 距离向量算法

4.2 最短路径算法

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1. 网络层的工作

网络层要完成的工作主要是两方面：

1. 地址管理：制定一系列规则通过地址，描述网络上一个设备的位置；

2. 路由选择：筛选或规划处更合适的路径供结点之间进行数据传输；

2. IP数据报

1. 版本字段：4位，值为4时表示IPV4，值为6时为IPV6；

2. 首部长度：4位，单位为4字节，即首部最大长度为4*0xf = 60字节；

3. 服务类型：8位，分别为3位优先权字段（已弃用），4位TOS字段和1位保留字段（必须置0）；

        4位TOS字段分别为：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，四位彼此冲突，只有一位可置为1，用于表示IP协议不同的形态。

4. 总长度：16位，单位为字节，表示首部与数据部分之和的长度，数据报最大长度为-1=65535字节；

5. 标识：16位，同一数据报的各分片数据报具有相同标识；

6. 标志：3位，目前只有2位有实际意义：

        （1）MF：1表示后面还有分片，0表示这已是若干数据报片中的最后一个；

        （2）DF：1表示不允许分片，0表示允许分片；

7. 片偏移：13位，单位为8字节，表示某片在原始IP数据报中的相对位置；

8. 生存时间：8位，缩写为TTL，单位为跳数，指明数据报在互联网中至多可以经过多少路由器，最大值为255。TTL减为0时还未到达目标结点，就会被丢弃掉。从而避免了无法交付的数据包无限制地在互联网中兜圈子；

9. 协议：8位，表示此数据报的载荷部分使用何种协议（UDP或TCP）；

10. 首部检验和：16位：只检验数据报首部，不包括数据部分；

11. 源地址：32位，发送IP数据报的主机的IP地址；

12.目的地址：32位接收IP数据报的主机的IP地址；

注：1. IP协议虽然存在64KB的限制，但IP协议通过标识、标志、片偏移三个字段，支持拆包组包功能；

2. 区别版本字段与协议字段：

版本字段：表示IP协议的版本；

协议字段：表示将IP数据报应交给传输层的哪个协议；

3. 源地址与目的地址均为32位，可见IP地址本质就是一个32位的整数，为了方便理解，常写作点分十进制形式，8位二进制（一个字节）表示为一个十进制，用3点隔开；

3. 地址管理

3.1 IP地址不够的问题

IP地址是一个32位的整数，能够表达大约，大致为42亿九千万，互联网发展至今，能上网的设备早已超过这个最大限制，如何解决IP地址不够用的问题，是一个需要思考的问题。

3.1.1 方案一：动态分配

将IP地址动态分配给需要上网的设备，把当前不上网的设备的IP地址分配给需要上网的设备；

此方法只提高了IP地址的利用率，但并未增加IP地址的数目。

3.1.2 方案2：NAT机制（网络地址转换）

本质上是让一个IP地址代表一批设备。

3.1.2.1 将IP地址划分为2类

（1）内网IP（局域网）：10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16为内网地址块；

在同一个局域网内部，内网IP之间不能重复；

在不同的局域网中，内网IP可以之间可以重复；

（2）外网IP（广域网）：其余的IP地址块均为外网IP；

外网IP始终不允许重复，必须保证唯一性；

3.1.2.2  NAT转换的实现

注：（1）如果当前局域网呢有多个主机访问一个网站服务器，即使两个数据报的源IP均为NAT路由器映射后的外网IP，但这个数据报的端口号一般都是不同的（临时分配），故而NAT路由器会结合端口号将服务器返回的响应返回给目标主机；

（2）即使极小概率下，这多个设备的端口号如果也相同，在NAT路由器进行内网IP向外网IP进行映射并替换时，如果发现多个设备具有相同的目的IP与目的端口，就会检查它们的端口号是否相同，如果相同，也会实现端口号的替换，以区分不同的内网设备。

（3）NAT机制最大的优势是一个纯软件的方案，无需硬件加持。

（4）NAT机制下，局域网内部的设备能够主动访问外网的设备，但外网的设备无法主动访问内网的设备。

当前的网络环境就是结合NAT+动态分配的方式来解决IP地址不够用的问题；

3.1.3 方案3：IPV6地址

IPV6采用16字节（128位）来表示IP地址，表示范围为0~，能表示的地址范围非常庞大；

IPV6的引入大大地扩展了地址空间，但这种地址扩充方案并未得到广泛应用，因为IPV6与IPV4不兼容，如需支持IPV6需要更换设备，导致向IPV6的过渡进程是比较缓慢的。

我国的IPV6普及程度是非常高的，国家也非常推荐使用IPV6。

一方面，在互联网公司的互联网产品中的一些app首屏加载页已经显示支持IPV6，比如手机淘宝；

另一方面，民用宽带也在积极升级，近几年新装的宽带都是直接赠送IPV6路由器的。

一般情况下IPV6虽然被支持，但并没有默认开启；

3.2 网段划分

一个IP地址分为网络号与主机号两部分，其中网络号标识了一个局域网，主机号标识了局域网中的一个设备。

3.2.1 分类的IP地址

注意：1. 主机号全为0表示当前的局域网，不能分配给具体的主机；

2. 主机号全为1表示当前网络上的所有主机，表示广播地址，不能分配给具体的主机。

3. 以127开头的IP是环回IP，最常用的是127.0.0.1，表示设备本身，常用于测试代码。

这种分类的IP地址由于网络号的位数是固定的，因此管理简单，使用方便，转发分组迅速。

3.2.2 无分类编址CIDR

1. CIDR的记法为：{<网络前缀>，<主机号>}；

2. 斜线记法表示为：IPV4地址/网络前缀所占的比特数，如：

128.14.35.7/20 = 10000000 00001110 00100011 00000111；

3. 子网掩码：在斜线记法中，斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数，把二进制的IP地址与地址掩码进行按位AND运算即可得出网络地址，如：

/20 地址块的地址掩码是：11111111 11111111 11110000 00000000；

4. 路由选择

路由选择用于描述IP协议（IP数据报）的转发过程。

每个路由器内部都有一个数据结构的路由表，根据数据报中的IP地址查路由表；

其中的动态路由算法有：

4.1 距离向量算法

4.2 最短路径算法