🔥网络层重点协议（IP 协议）

一、地址管理

1.如何解决上述地址不够用问题？

2.NAT 机制

2.1 NAPT

2.2 在 NAT 背景下如何通信？

3.IPv6

4.IP地址

4.1 ABCDE类

4.2 子网掩码

4.3 特殊的 IP 地址

二、路由选择

1.路由器

1.1 网关

1.2 路由

🌴数据链路层重点协议

1.以太网

1.1 认识以太网

1.2 以太网帧格式

2.MTU

2.1 认识MTU

2.2 MTU对IP协议的影响

2.3 MTU的值是几？

🌈🌈关于 TCP/IP协议的应用层和传输层的重点知识，请看博客：【网络原理】TCP/IP协议

🔥网络层重点协议（IP 协议）

IP 协议做的两部分核心工作

1️⃣地址管理

每个网络上的设备，要能分配一个地址（唯一）

2️⃣路由选择

A 给 B 发消息，具体走哪条路线？

一、地址管理

协议头格式如下：

🙈32位的整数，最多能表示多少个不同的地址呢？42亿9千万

显然上述地址是不够用的，那么应该怎么办？

在这里我们需要记住几个数：

一个字节： 0 ---->255 -128 ----> +127

两个字节： 0 ----> 65535 -32768 ----> +32767

三个字节： 0 ----> 42亿9千万 -21亿 ----> +21亿

1.如何解决上述地址不够用问题？

1️⃣动态分配 IP 地址

✨设备上网才分配，不上网就不分配；此时就可以省下一大批 ip 地址。但是并没有增加 ip 的数量，只能一定程度的缓解，不能彻底解决问题

2️⃣NAT 机制

把IP地址分成“外网IP”’和“内网IP”，用一个外网IP代替N个内网IP

举个例子：
就好比你买了一个快递，地址写的XXX省XXX县XXX区XXX大学，不用写几号楼，几零几。但是一个大学里有好多人，那怎么确定是谁的包裹，所以我们就可以通过收件人和联系电话再来做进一步的区分。

2.NAT 机制

🌈把所有的 IP 地址分成两大类：

内网IP： 10.* 172.16.*-172.31.* 192.168.*

外网IP（公网）： 剩下的ip

❗❗外网 IP 必须是唯一的；内网 IP 则可以重复出现（尤其是在不同的局域网中）

🔎内网设备如果要访问外网，会给他分配一个外网 IP ，但是这个外网 IP 不是这个设备独占的，而是这个内网中所有的设备都共用一个外网 IP

一个外网 IP 代表一系列的设备

❓❓IP 如何进行工作的

假设现在有设备A和设备B要同时访问服务器的8080端口：

1）：设备A =》路由器 =》服务器

设备A发给路由器的IP数据报：
源IP 192.168.0.2 源端口：1000
目的IP：1.2.3.4 目的端口：8080

路由器正常是要把这个数据报原封不动的转发，但是此时触发了NAT机制，于是就产生了“移花接木”

路由器把IP数据报中的源IP进行了替换，替换成路由器的外网IP

路由器发给服务器的消息：
源IP：1.2.3.5 源端口：1000
目的IP：1.2.3.4 目的端口：8080

2）：设备B =》路由器 =》服务器

设备B先给路由器发IP数据报：
源IP：192.168.0.3 源端口：1000
目的IP：1.2.3.4 目的端口：8080

此时路由器发给服务器是同样触发NAT机制，再次“进行替换”

路由器发给服务器的消息：
源IP：1.2.3.5 端口：1001（此时刚才的源IP：1.2.3.5 源端口：1000 已经被用过了，如果使用同样的，那么路由器无法区分出这个请求到底是哪个主机的）需要使用不同的端口
目的IP：1.2.3.4 目的端口：8080

服务器看见两个请求，但是源端口不一样，所以服务器在返回数据时就可以根据源端口，来分别返回不同的数据。

具体图解：

NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37;
NAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10;
在NAT路由器内部, 有一张自动生成的, 用于地址转换的表;
当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系

2.1 NAPT

那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？这时候 NAPT 来解决这个问题了。使用 IP+port 来建立这个关联关系。

主机 163.221.120.9 的端口号是 80，私网中有 2 个客户端 10.0.0.10 和 10.0.0.11 同时进行通信，并且这 2 个客户端的本地端口都是 1025。此时，仅仅转换 IP 地址为全局地址 202.244.174.37 ，会令转换后的数字完全一致。因此，为了区分这 2 个会话，只要将 10.0.0.11 的端口号转换为 1026 就可以解决问题。NAPT 路由器通过生成转换表，就可以正确地转换地址跟端口的组合，使客户端A、B能同时与服务器之间进行通信。这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项；在断开连接后，就会删除这个表项

2.2 在 NAT 背景下如何通信？

外网设备 -> 外网设备：不需要任何 NAT ，直接就能通信

内网设备 -> 其他内网设备：不允许

外网设备 -> 内网设备：不允许

内网设备 -> 外网设备：对应的内网设备的路由器，触发 NAT 机制进行 ip 替换，此时就会给这个网络数据报的源 ip 替换成路由器自己的 ip，此时一个外网 IP 就能代表一大批内网中的设备

当前，动态分配 + NAT 来解决 IP 不够用的问题的;但是并没有让 IP 地址变多，只是提高利用率的方式来解决问题；要想从根本上解决问题，需要提供更多的 IP 地址，则会有第三种解决方案：IPv6

3.IPv6

之前所学的 IP 协议叫做 IPv4：使用4个字节，32位来表示 ip 地址

IPv6：是更新一些的 IP 协议，使用16个字节，128位来表示 ip 地址

2^128 = 2^32 * 2^32 * 2^32 * 2^32；这个数字巨大无比，相当于给地球上的每一粒沙子分配一个 ip 地址都是够用的

4.IP地址

概念：IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

作用：IP地址是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

格式：IP地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割为 4 个 “8 位二进制数 ” （也就是 4 个字节），如： 01100100.00000100.00000101.0000011

组成：IP地址分为两个部分，网络号和主机号

网络号：标识网段（表示一个局域网），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（标识了一个局域网的主机） ，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

对于网络号主机号的划分，主要有两种分类方式：

4.1 ABCDE类

1️⃣IP 地址分类（ABCDE）简单了解

4.2 子网掩码

格式：子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1 的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。

计算方式：

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号

将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

4.3 特殊的 IP 地址

假定子网掩码是 255.255.255.0

1️⃣主机号为 0 的 ip

例如：192.168.0.0 就是网络号，局域网里不应该存在某个主机，主机号是0

2️⃣主机号全为1

例如：192.168.0.255 广播地址——将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址。往这个地址上发送 udp 数据报，此时这个数据报就会被转发给整个局域网中的所有主机（TCP 不支持广播）

3️⃣IP 为 172 开头的：127.*称为环回ip

127.0.0.1是最常用的

环回 ip 对应特殊的虚拟网卡 IO，通过环回 ip 传输的数据，走这个虚拟网卡（这个过程没有 IO 操作，纯内存操作），要比一般的这种普通 ip 的数据传输要快

4️⃣主机号为1

192.168.0.1 一般作为“网关ip”；网关即局域网的出入口

二、路由选择

描述的是：从 A 到 B 之间，具体线路怎么走（A 和 B 之间存在很多种不同的路线，具体走哪条路？？路由选择要做的事情就是这个）

1.路由器

路由器主要有两个作用：

1.1 网关

路由器作为网关，可以划分公网和局域网，某些路由器还可以将局域网划分为多个子网（不同网段）

1.2 路由

所谓路由，即在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；网络通信（网络数据传输），路由器中的路由功能，就类似于规划路线，往哪个方向行进能更快到达目的地。

IP 数据报在进行网络转发的过程中，就是一个“逐渐问路”的过程，每个路由器只能认识周围的情况，很可能问的目标并不知道（目的 ip 在路由表中，没有匹配结果），此时就会走路由器给指定的一条默认的路径（路由表中的“下一条表项”，就会把数据报指引更上一级的路由器，越上级的路由器就见多识广）

🌴数据链路层重点协议

1.以太网

1.1 认识以太网

"以太网" 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了

一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；

例如以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等；

以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等；

1.2 以太网帧格式

2.MTU

2.1 认识MTU

把上述数据链路层数据帧，最大荷载长度称为 MTU ；如果承载的数据长度超过MTU，就会在 IP 层进行分包，使每个分出来的结果都能在 MTU 之内

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节 ，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；

最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；

如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；

不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

2.2 MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

1.将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；

2.每个小包IP协议头的 16位标识（id）都是相同的；

3.每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；

4.到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；

5.一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

虽然 IP 能拆包，仍然不能改变 UDP 最大长度是 64K 这样的现实（由于拆出的这些 IP 数据报中只有一份 UDP 首部，这个首部里就能够填写 UDP 长度的地方，页还是只有 2 个字节。则64K （即65535）这个限制还是存在的）