【Java网络原理】 六

本文主要介绍了网络层的IP协议/NAT机制/IPv6的由来以及在数据链路层涉及到的以太网协议和DNS域名解析系统

一.网络层

1.IP协议

各个字段所表示的含义

>4位版本号

用来表示IP协议的版本，现在只有两个版本IPv4 ，IPv6

>4位首部长度

IP报头可变，带有选项

单位是4字节

>8位服务类型

（只有四种有效）

最小时延

最大吞吐量

最高可靠性

最小成本

四种形态互斥，只能切换到一种形态

>16位总长度

 IP报头+载荷的长度

最大长度虽然只有64kb，但是IP协议自身支持拆包组包机制，如果需要携带一个比较长的数据，IP协议会自动把数据报拆成多个，接收方分用的时候，也会把多个数据报合并成一个数据报。

以下三个字段字段描述的是IP数据报拆包的过程

>16位标识

拆除的多个包，16位标识是相同的

>3位标志位

有一位表示是否允许拆包，有一位表示是否是最后一个包

>13位片偏移

拆包后，通过片偏移，区分包的先后顺序（前一个包片偏移更小，后一个更大）

描述了整个IP数据报拆包组包的过程，当IP数据报携带比较长的数据的时候，IP协议就会触发拆包

拆包：

把一个打包拆成多个小包，多个小的IP数据报都会带有IP报头，载荷是TCP数据报的几个部分

>8位生存时间TTL

单位是次。初始情况下会有个数值，每次经过一个路由器转发，TTL-1，减到0就会被丢弃

正常来说，TTL足以支持数据报到达网络的任意一个位置的，TTL位0，基本不可达

>8位协议

描述上层传输层使用哪种协议，分用的时候就知道把数据交给哪种传输层协议处理

>16位首部校验和

校验首部是否正确就行，载荷数据传输层校验过了

>32位源地址

>32位目的地址

IP地址

一般用点分十进制表示：把32位分为四个部分，每个部分8个字节，每个部分的范围是0-255。

比如，192.168.1.2

事实上，32位表示的数据量非常有限42亿9千万

既然是地址，原则上是不能重复的，然而现在全世界上的设备，早就超过这个数字了，这就涉及到了一个非常严重的问题：IP不够用了怎么办？

一般来说有三种方法：

1.动态分配DHCP

某个设备不会一直上网，需要上网，就分配，不需要就不分配。但是这种方法只能缓解！不能完全解决问题！

2.NAT机制（网络地址转换）

3.IPv6（增加IP的数量）

2.NAT机制

把ip地址分成两类

1.内网IP

不同的局域网内的设备，内网ip可以重复；同一个局域网内的设备，内网ip不能重复

比如我的电脑上的IP地址(他其实就是一个内网IP)

2.外网IP

外网ip不饿能重复

现在设备之间的通信有以下情况：

1.局域网内部的设备之间进行通信，是完全可以的，因为IP地址是互不相同的。

2.两个局域网通信：A局域网中的设备，希望和B局域网设备通信，这个时候怎么办，毕竟这两个ip可能相同

当前的规则是禁止这个情况的，要想通信就需要有一个带有外网ip的设备进行中转，局域网内的设备访问带有外网ip的设备

比如我们平常使用的电脑手机，都是在局域网内使用的，它们会有一个内网ip；还有一类设备，是服务器，服务器可以有外网ip，这个时候就涉及到NAT工作了

举个例子：

当这个数据报到达cctalk服务器之后，cctalk服务器并不知道这个数据是源自于我的电脑ip，而是只知道源自于路由器的ip

NAT机制下，意义在于，一个外网IP代表的不一定是一个设备了，而是很多设备。

对于NAT设备，会在触发NAT的时候，维护一个映射表，表示了替换前ip和替换后ip的映射

当然，上述只是简化版本。

NAT缺点

1.效率不高

2.非常繁琐

3.不方便直接访问局域网内的设备

但是NAT是一个纯软件实现的方案，成本很低，优势明显。

3.IPv6

从根据上解决IP地址不够用问题

IPv4是4个字节，32位表示IP地址

IPv6是16个字节，128位表示IP地址

IPv6的数量是：2^128=(2^32)^4  这是一个天文数字，足够为地球上的每粒沙子都分配一个地址

缺点是：

IPv6和IPv4不兼容，要想升级IPv6，就需要更换路由器设备，成本很高

相比之下，NAT方案，只需要路由器开发商开出新版本的软件，升级软件就可以支持，成本较低

因此IPv6的发展比NAT要慢很多。

4.IP地址

IP地址分为两个部分：网络号和主机号

1.同一个局域网中设备网络号必须相同，主机号必须不同

2.两个相邻的局域网，网络号必须不同

那么一个Ip地址，哪个部分是网络号，哪个部分是主机号

通过子网掩码来识别：

子网掩码和IP地址一样，也是四个字节，32位的整数

左侧必须是连续的1，右侧必须是连续的0

1的范围描述了IP地址的对应哪些位是网络号

家用路由器子网掩码一般是255.255.255.0

子网掩码是现代的划分网络号的方案

以前还有一种方法

广播地址

如果IP地址中的主机号全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路上的相互连接的所有主机发送数据报；

比如：

子网掩码是255.255.255.0（最后八位是主机号）

如果ip地址是192.168.0.255（255代表全1）

往这个IP上发送数据报，这个数据就会被转发给局域网中的所有设备

（此处的广播，在传输层只能使用UDP，不是使用TCP，TCP无法针对广播地址进行三次握手建立连接)

举个常见的例子：

将手机上的内容投屏到电视上，前提是手机和电视在同一个局域网下(同一个wifi下)，手机点击搜索设备，就能把所有同一个局域网下的设备都找出来，这个搜索的过程就可以基于广播IP实现

5.路由选择

路由选择的IP协议的另一个功能。

由于路由器，无法做到理解全貌，只能认识部分网络环境，在这个前提下，进行路由转发，走一步算一步，给出的路径不一定是最优解，只能说是较优解。

每一个路由器内部，有一个路由表

数据报到达路由器的时候，就需要查询路由表

1）如果查到了就按照这个方向转发

2）如果没查到，路由器就会给一个默认的方向，沿着默认的方向走

二.数据链路层

数据链路层的代表协议是以太网协议

以太其实是人们人们设想出来的一种物质，事实上并不存在。

另外以太网协议既涉及到数据链路层的内容，也涉及到物理层的内容

1.以太网协议

以太网协议报头有三个字段：

>目的地址

>源地址

这个地址叫做mac地址，长度是6字节

为什么有了IP地址，还要mac地址

这其实是因为这两个地址，都被各自独立设计出来了，因此都保留下来了

（一般使用十六进制数字，表示mac地址）

两个十六进制数字，就是一个字节

（字节之间一般是-或者：来分割）

mac地址比IPv4的地址大很多

mac地址都是网卡出厂的出后就固定了，可以保证每个设备的网卡都有独立的mac地址的

>类型

以太网数据帧的载荷有多种形式，通过这个字段来标识

载荷部分最大长度是1500（1kb多一点）

一个稍微大一点的传输层/应用层数据报都会在数据链路层被切分成多个

其实IP数据报分包和组包这个过程就是为了MTU（最大值）而做的

2.域名

上网就要访问服务器，知道服务器的ip地址，但是ip地址不方便人们记忆和传播，于是就出现了域名。

比如：www.baidu.com

三级域名.二级域名.一级域名

这个域名机器不认识，就需要一套系统，把域名解析成ip地址----这就促成了域名解析系统的诞生。

3.DNS域名解析系统

DNS的工作原理简单的来说就是：主机A想访问www.baidu.com，主机会先访问DNS服务器，让DNS服务器返回www.baidu.com的IP地址给主机，于是主机就可以访问这个IP地址

DNS服务器如何能够承受高并发的状况的呢？

开源节流

1.每个电脑上在进行域名解析的时候都会有缓存，这样不至于每一次访问域名都要真的访问DNS

2.全世界搭建了很多的DNS镜像服务器（和最初的DNS服务器同步数据）

此时访问镜像和访问那个DNS服务器效果一样

但是如果根域名服务器（在美国）还是可以控制镜像服务器，这也意味着美国掌握着世界上任何一个国家的网络使用权。

因此国内大力发展IPv6一部分原因也是为了摆脱DNS的限制(虽然IPv6也需要DNS，但是它是一套新的DNS，和之前的不相关）

从技术角度看，NDS服务器是否会挂?

会。

 尤其是所在地区的DNS镜像服务器

比如：遇到类似这样的情况：qq能用，浏览器不能用

这种时候就很有能是DNS镜像服务器挂了，好在如果挂了可以改镜像服务器

比如改成谷歌维护的DNS服务器8.8.8.8

在网络管理中修改：