【Java网络编程04】网络原理进阶（二）

1. 前言

在网络原理进阶（一）部分我们详细介绍了UDP/TCP两大协议及其相关特性，本章我们会讨论网络层、数据链路层、物理层相关协议。但是需要注意的是，如果有小伙伴们未来是想成为Java后端开发工程师的，那么未来工作中大概率会涉及到网络通信，因此TCP相关特性是及其重要，必学不可的！！而网络层的IP协议确实很复杂、也很重要（站在网络协议设计者的角度），对于咱们职业来说，只需要适当了解即可。

2. 网络层

IP协议：网络层中最重要的协议就是IP协议了，其中IP协议主要完成的工作有两方面：1、地址管理（使用一套地址体系来描述网络设备所处的位置）2、路由选择（将数据报从一个地址转发到另一个地址）

2.1 IP数据报格式

下面对报头中各个字段进行简要介绍：

4位版本号：指定遵循的IP协议版本，例如IPv4来说值就是4，IPv6就是6
4位首部长度：与UDP协议一样，单位为4字节，因此首部最大长度是15 * 4即60字节
8位服务类型：其中起作用的只有4位，这四位分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本，这四者相互冲突，只能选择一个
16位总长度：IP数据报整体占据多少个字节
16位标识：当IP数据报被分片时，可以根据该字段确定哪些IP分片应该组包在一起
3位标志：第一位保留，第二位为1表示禁止分片，第三位表示如果使用分片，那么如果为1表示这个最后一个分片，类似于“结束位”标记
13位片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，可以根据该字段对于分片进行排序组包
8位生存时间：指定数据报到达目的地的的最大报文跳数，一般是64，经过一个路由，跳数-1，如果一直减到0还没有到达，那么就丢弃了，这个字段主要用来防止出现路由循环
8位协议：表示上层协议的类型（TCP或UDP）
16位首部检验和：使用CRC等机制判断首部是否损坏
32位源地址与目的地址：表示发送端与接收端
选项字段：不定长，最多40字节

2.2 IP协议如何管理地址

IP地址：前面我们提到过，IP地址本质上是一个32位的二进制数，但是为了阅读起来方便，我们通常使用点分十进制的方式将IP地址分为4部分，其中每个部分1个字节，使用十进制进行表示，每个部分取值为0-255，例如IP地址为01111111 00000000 00000000 00000001，采用点分十进制表示后为127.0.0.1
IPv4地址数量：IP地址的出现是为了给每一个网络设备进行唯一的身份标识，32位能够表示的IP地址数目为2^32 - 1大约42亿9千万，尽管这个数目看起来很大，但是随着移动互联网时代的到来，每个用户甚至拥有4、5台网络设备，总的网络设备是很可能超过百亿的，因此解决IP地址不够用的问题迫在眉睫！！！

2.2.1 IP地址数量解决方案

如何解决IP地址不够用的问题成了上世纪90年代非常严重的问题！下面我们来简要介绍几种解决IP地址不够用的常见方案

2.2.1.1 动态分配IP地址

该方案的依据是全世界所以的网络设备不可能同时一起上网，因此对于正在上网的网络设备进行按需分配IP地址，就可以解决IP地址不够用的问题，但是缺点也非常的明显，这毕竟只是权宜之计，并不能真正解决IP地址不够用的问题！！！

2.2.1.2 NAT机制（网络地址映射）

IP地址分类：NAT机制要求把IP地址分为两大类：1、私网IP；2、公网IP，其中10.*、192.168.*、172.16-172.31.*这三类地址都是私网IP，剩下的都是公网IP了。NAT机制要求公网上设备对应的公网IP必须是唯一的，但是私网（局域网）上的IP地址只要保证当前局域网类不重复即可，不同局域网的IP可以重复。
由于上述规定，因此NAT机制就具有以下限制：

局域网设备访问局域网设备（同一局域网中），允许访问
局域网设备访问局域网设备（不同局域网中），不允许访问
局域网设备访问公网设备，可以访问，但是需要使用NAT机制对IP进行转换
公网设备访问公网设备，可以访问
公网设备访问局域网设备，不允许访问

这里我们简化一下模型，假设主机只经过一个路由器就将数据转入公网，最终到达服务器，中间路由器所做的工作我们并不关心，此时假设从主机（192.168.0.1）的数据想要经过路由器，进一步进行转发，此时NAT机制就会将IP报头中的源IP进行替换成路由器的IP，如下图所示：

此时数据报中的源IP就被替换为路由器的WAN口IP，并且更换后的数据报到达服务器后，服务器端看到的源IP就是5.6.7.8了，感知不到局域网的IP，达到多个局域网IP对应一个公网IP，起到节省IP地址的效果了。

注意：路由器的LAN口IP往往是一个局域网IP，WAN口可能是局域网IP，也可能是公网IP，路由器的核心就是能够将两个网络连接起来，并且不是所有的路由器都会替换源IP，当源IP被修改为公网IP后，路由器就不再进行替换

NAT工作原理：
下面我们就来详细介绍NAT机制的工作原理

不同主机访问不同服务器

此时主机（192.168.0.1）访问服务器（1.2.3.4），此时源IP被替换为5.6.7.8，此时路由器内部维护一个数据结构保存对应映射信息
此时主机（192.168.0.2）访问服务器（9.10.11.12），此时源IP被替换为5.6.7.8，此时路由器内部维护的映射表新增记录

此时服务器1.2.3.4返回给目的IP地址5.6.7.8，然后根据映射表找到源IP地址为192.168.0.1然后成功返回给对应主机
此时服务器9.10.11.12返回给目的IP地址5.6.7.8，然后根据映射表找到源IP地址为192.168.0.2然后成功返回给对应主机
不同主机（不同端口）访问同一服务器

此时主机（192.168.0.1）上的应用程序端口是26000，此时访问服务器1.2.3.4，此时源IP地址被替换为5.6.7.8，并在映射表中新增记录表项
此时主机（192.168.0.2）上的应用程序端口是26001，此时访问服务器1.2.3.4，此时源IP地址被替换为5.6.7.8，并在映射表中新增记录表项

此时服务器返回目的IP为5.6.7.8，目的端口号为26000，此时路由器根据映射表找到端口号26000对应的源主机IP地址为192.168.0.1，然后成功返回给对应主机
此时服务器返回目的IP为5.6.7.8，目的端口号为26001，此时路由器根据映射表找到端口号26001对应的源主机IP地址为192.168.0.2，然后成功返回给对应主机
不同主机（同一端口）访问同一服务器

此时主机（192.168.0.1）上的应用程序端口是26000，此时访问服务器1.2.3.4，此时源IP地址被替换为5.6.7.8，并在映射表中新增记录表项
此时主机（192.168.0.2）上的应用程序端口是26000，此时访问服务器1.2.3.4，此时源IP地址被替换为5.6.7.8，并在映射表中新增记录表项

此时服务器返回目的IP为5.6.7.8，目的端口号为26001，此时路由器根据映射表找到替换端口号26001对应的源主机IP地址为192.168.0.1，然后成功返回给对应主机
此时服务器返回目的IP为5.6.7.8，目的端口号为26002，此时路由器根据映射表找到替换端口号26002对应的源主机IP地址为192.168.0.2，然后成功返回给对应主机

总结：

如果同一局域网内不同主机访问不同的服务器，那么返回数据时只需要根据服务器的IP地址就可以查表找到对应的主机
如果同一局域网内不同主机访问同一个服务器，但是端口号不同，那么此时可以根据端口号的不同进行区分
如果同一局域网内不同主机访问同一个服务器，但是端口号相同（极小概率），NAT机制可以替换源端口，仍然能够区分，此时路由器就不是单纯作用在网络层的设备了，还工作在传输层（因为可以修改传输层报文中的端口号）

NAT机制本质上并没有增加IP地址的数目，只是将IP地址进行了复用，当前互联网就是NAT+动态分配相结合的方案解决IP地址不够用的问题，但是始终是权宜之计，并没有从根本上解决问题！！！

2.2.1.3 IPv6

IPv6：IPv6的出现是在根本上解决了IPv4地址不够用的问题，IPv6使用16个字节表示一个IP地址，总的表示范围是2^128，这是一个天文数字，号称可以给世界上每一粒沙子都分配一个IP地址。
关于IPv6的有关内容，本章不做过多讨论，感兴趣的小伙伴可以自行查阅相关资料，这里提供一个超赞的科普视频
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