【Java EE初阶十八】网络原理（三）
3. 网络层
网络层要做的事情主要是两方面：
1)、地址管理：制定一系列的规则,通过地址,描述出网络上一个设备的位置；
2)、路由选择：网络环境是比较复杂的，从一个节点到另一个节点之间，存在很多条不同的路径,就需要通过这种方式,筛选/规划出更合适的路径进行数据传输；
3.1 IP 协议
3.1.1 学习ip协议报头
ip协议报头如下图所示：
四位版本：
4-> ip v4；
6 -> ip v6；一般来说大规模使用的版本就是这两种4位首部长度：
IP 协议的报头,也是变长的；即0-0xf => *4 => 0-60 字节；
8位服务类型：
能够让IP 协议切换形态；即3位优先权字段(已经弃用)，4位TOS字段（这四个位,彼此之间是冲突的,只有一位设为 1，不同的位设为 1,表示 IP 协议不同的形态.4种形态分别是最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本），和1位保留字段(必须置为0)；
16位总长度(字节数)：
描述了 IP 数据包最长是多长；IP 协议确实也存在 64KB 这样的限制, 但是 IP 协议自身支持"拆包组包"功能；
16位标识：如果一个大的 IP 数据包需要拆成多个小的,此时拆出来的这多个小包,16 位标识就是相同的数值
3位标志：有一位表示是否允许拆包个包，还有一位表示是否是最后一个包(类似于单链表的结束标记
13位偏移量：描述当前每个小的数据包(分片)相对位置
通过这三个属性,来支持 IP 协议的拆包和组包；
8位生存时间（TTL）：
描述了这个 IP 数据包,在网络上还能继续存活多久；TTL 的单位，是次数，数据包构造出来的时候,TTL 会被设置成一个初始值(32,64,128....)，数据包在转发过程中,每次经过一个路由器转发,TTL 就会 -1；如果这个数据包, 已经把 TTL 耗尽了,还没有顺利到达对方,就会被丢弃掉；
8位协议：
描述的是,IP 数据包的载荷部分,是一个 UDP 数据包还是 TCP 数据包（传输层是哪个协议）
16位首部检验和：
这个校验和,只是校验 IP 首部,不管 IP 数据的载荷（UDP/TCP 这样的数据， 自身都是有校验和的）
32位源IP地址：
32位目的IP地址：
IP 地址,本质上就是一个 32位二进制的整数，为了方便人来理解,写作点分十进制方式,
3.2 地址管理
3.2.1 ip地址的了解
IP 地址,是一个 32 位的整数. 即2^32 => 42亿9千万个网络地址,理论上来说,是不应该重复的!但是物联网发展到今天，能上网的设备非常非常多的，且早就超过了 42亿9千万这个数字，为了解决ip地址不够用，就有了下面的措施：
方案一：动态分配 IP
这个方案，治标不治本。提高了 IP 地址的利用率，但是并没有增加 IP 地址的数目.(虽然这是一个过度方案，但是这个方案目前仍然是广泛存在的)
方案二：NAT 机制 (网络地址转换)
本质上是让一个 IP 地址来代表一批设备；
把 IP 地址分成两个大类：
1) 、内网 IP (局域网 IP)
如果一个 IP 地址，是以 10.*或者 172.16.*~~172.31*或者 192.168.*(符合上述条件之一,该IP 就是内网 IP)，在同一个局域网内部,内网IP 之间不能重复，但是在不同的局域网中，内网 IP 之间是可以重复的。
2) 、外网 IP (广域网 IP)
剩下的 IP 就都是外网 IP，外网 IP 则始终都不允许重复, 务必唯一；
3.2.2 NAT的工作机制
此时,运营商路由器,也是一个 NAT 设备,就能够对当前这里的源 IP 进行替换.(内网IP无法在广域网上使用) ，运营商路由器，NAT 设备,就相当于一个中转站；
如果当前局域网内,有多个主机, 都访问同一个网站服务器,此时服务器返回的响应经过当前的路由器之后,要交还给哪个主机呢?
若是两个主机在发送ip数据报时，ip和端口一样时，如下图所示：
当前的网络环境,就是以 NAT + 动态分配的方式来解决 IP 地址不够用的问题的.
NAT 机制,最大的优势,"纯软件的方案”，也正是因为这个机制,局域网内部的设备,能够主动访问外网的设备,外网的设备无法主动访问局域网内部的设备；
方案三：IPv6
IPv6 使用 16 个字节来表示IP 地址.该方案从根本上解决了问题，大幅度的提升了IP 地址的个数；
3.3 网段划分
把一个 IP 地址,会分成两个部分：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)，详情如下所示：
综上所述，同一个局域网中的设备,网络号必须相同.主机号必须不同；这两个相邻的局域网（通过一个路由器,连接的两个局域网）,网络号不能相同；
192.168.1.10对于上述的一个 IP 地址,哪个部分是网络号,哪个部分是主机号,不一定的.子网掩码,就是用来确定网络号的,详细情况如下图所示：
上面是带有子网掩码的网段划分,是当下的网络环境现状，下图是一个"上古时期"的网段划分方式；
1、如果一个 IP 地址,主机号全0,当前这个 IP 就表示“网络号”，如192.168.100.0和255.255.255.0，这是该ip代表一个局域网的，是不能给一个具体的主机分配这个 IP 的；
2、如果一个 IP 地址,主机号全 1, 表示当前这个 IP 就是一个"广播址"，如192.168.100.255，该ip也不能给具体的主机分配的；（前面说 UDP 天然能支持 广播,就是和这个 IP 有关系,使用 UDP socket 给这个地址发送 UDP 数据报,此时局域网中所有的设备,都能收到这个数据报,TCP 则无法和这个地址,建立连接）
3、如果一个IP 是 127 开头的,此时这个 IP 就是"环回 ip"(loopback)，127.0.0.1(最常用的)，都表示“"设备自身” 自己发给自己；（操作系统提供了一个特殊的"虚拟网卡"，关联到了这个 IP 上）
3.4 路由选择
路由选择, 就是描述了 IP 协议(IP 数据报) 转发过程，从 A->B,中间可能有很多条可行的路径，但是具体怎么走的实际路径；
进行IP 数据报转发的时候,每个路由器,都是无法知道网络的“全貌”，只知道一些局部信息.(一个路由器能知道哪些设备和它自己是相连的)，这就意味着 IP 数据在转发过程中,是一个"探索式”"启发式"过程--->所以这个过程,很难给出"最优解" 只能是"较优解”；
一个网络层的数据报，每次到达一个路由器，也会进行上述"问路"过程，每一个路由器内部都有一个数据结构“路由表”，根据数据报中的目的IP，查路由表,如果查到了(问的人，恰好知道咋走），就直接按照路由表给定的方向(从哪个网络接口进行转发)，继续转发就行了；如果没查到(问的人，不知道咋走），路由表里面有一个"默认的表项”(下一跳地址)，按照默认的表项转发即可；
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