详细讲解IP协议 O _> O

文章目录

JavaEE & IP协议
1. 地址管理
1.1 IP协议报文格式
1.2 动态分配IP地址
1.3 NAT机制
1.4 IP协议
1.4 IP协议工作过程
1.5 IPV6协议
1.6 IP地址的组成
1.7 特殊的IP地址

2. 路由选择

JavaEE & IP协议

1. 地址管理

我们希望，每个网络上的设备，要能分配到一个地址（唯一）

1.1 IP协议报文格式

在这里插入图片描述

本质上，IP地址就是一个32为的整数

点分十进制的形式~
三个点分成四个部分，每个部分0-255

而如果单看int的取值范围

它可以表示42亿9千万的数据
2147483648 * 2
- 字节换算牢记（常见）
- 0 - 255 ==> -128 - 127
- 0 - 65535 ==> -32768 - 32767
- 0 - 42亿9千万 ==> -21亿 - 21亿

显然，这是不够用的

全世界有很多的电脑，服务器路由器，还有很多很多很多的手机~

1.2 动态分配IP地址

设备上网才分配，不上网就不分配

可以省下一大批ip地址,但是并没有增加ip地址的数量
治标不治本,只能缓解~

路由器的一个功能，DHCP

如果开启了DHCP，此时路由器就自动给你的设备分配一个局域网内唯一的ip
- 默认是开启自动分配的
- 不开启也可以，但是需要人工来保证你的ip是唯一的
- 如果与别人重了，两个人都得寄

昨天的IP和今天的很可能不一样~

1.3 NAT机制

它把所有的IP地址分为两大类:

内网IP: 【10.* 】或者【172.16.* ~ 172.31.* 】或者【192.168.* 】
- 只要是这三种开头的，都被称为内网ip
外网IP：剩下的ip

多个设备一个外网IP，一个设备一个内网IP
不同外网IP的设备，可以有同一个内网IP

例子：

我们在现实中其实也不少见这种情况

例如在学校网购，如果只有一个快递驿站，那么所有学生老师的快递的地址都填的是学校的地址
学校的地址是唯一的，但是这个包裹的主人不一定唯一

即，内网设备如果要访问外网，会给它分配一个外网IP

这个外网IP并非某设备的专属，
而是这个内网中的所有设备都共用这一个外网IP~

在这样的放宽之下，IP就够用了~

什么是内网和外网：

局域网可以称之为内网
- 一个设备的局域网的内网IP
对于内网和外网的规模规范，没有明确，类似局域网和广域网的界限
在广域网内的外网ip（局域网在广域网中的位置），内网设备要向与外界交流，必然有一个外网IP，即所属局域网共用IP

在这里插入图片描述
控制台ipconfig：

内网IP

iP地址查询–手机号码查询归属地 | 邮政编码查询 | iP地址归属地查询 | 身份证号码验证在线查询网 (ip138.com)

在这里插入图片描述

这就是一个外网IP
共用IP

1.4 IP协议

1.4 IP协议工作过程

设备1要发消息给设备2：

在这里插入图片描述

构造IP数据报

在这里插入图片描述

经过路由器：
- 内网设备必须有外网IP才能发送给外网设备
- 源IP替换为路由器（NAT设备）的IP

在这里插入图片描述

设备2收到通过网络传输来的IP数据报：

在这里插入图片描述

也就是说，设备1所在局域网，也有其他设备用的是同一个外网IP
- 设备2无法分辨这两个数据报属于不同的设备的请求

在这里插入图片描述

设备2返回响应：
- 让路由器去处理，设备2按照数据报发送就好了~
- 路由器是知道替换关系的
端口号用来区分一个主机的不同程序，

配合内网IP去区分不同主机的不同程序，也完全可以

在这里插入图片描述

在NAT背景下如何通信：

外网设备 => 其他外网设备，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！
你的内网IP，不同局域网也可以有

外网设备 => 内网设备，不允许！
只能交给那个路由器，他秘密地交给对应的设备
好比说，你知道了内网设备的内网IP，那么这个IP不同局域网也能用（有很多），那么你怎么发送呢？
并且，你也不能通过这个内网IP获取这个内网设备的外网IP~

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
即，内网设备的数据报获取一个共用的外网ip

1.5 IPV6协议

在这里插入图片描述

从根本上解决IP不够用问题

前面的IP协议，其实是IPv4
- IPv4是传统的IP协议，使用4个字节，32位表示ip地址
IPv6是更新了一些的IP协议，使用16个字节，128位来表示ip地址~
- 大了可不止4倍，而是2⁹⁶次方倍！！！
- 这个数字，给地球的每一粒砂子分配ip都是够用的~
- 电子产品本质上是 Si，Si的来源就是砂子（SiO₂）

IPv6早在2000时期提出，但是现在上网还是以IPv4为主

IPv6，真正被用到的情况很少~

IPv6月IPv4并不兼容

一个IPv4路由器，要想支持动态分配和NAT，软件上升级下系统就行了（成本低）
一个IPv4路由器，要想支持IPv6，光升级软件没有用，还得升级硬件（成本很高）
- 旧的路由器得丢了换新的IPv6路由器

在我国，IPv6的普及率很高了（世界一流） => 70% +

已经准备就绪了，但是还没开启使用，就是我们一般的路由器支持IPv4和IPv6，但是IPv6默认是关闭的~

1.6 IP地址的组成

网络号
- 标识一个局域网
主机号
- 标识了一个局域网内部的主机
- 同一网段网络号一样，不同主机的主机号一定不一样

一个路由器有两个IP：

WAN口IP
LAN口IP

在这里插入图片描述

例子：

上面的局域网，192.168.1就是网络号，最后一个点后面就是主机号
下面的局域网，192.168.0就是网络号，最后一个点后面就是主机号
- 路由器1，连接两个局域网，这两个局域网就是“相邻”的局域网
- 这两个局域网的网络号不能重复！

在这里插入图片描述

网路号与主机号的划分：

IP地址分类（ABCDE）（淘汰了）
- 前缀：用来区分类别（A类B类…）
- 每个类别的网络号和主机号是固定的
  1. 本来就不富裕的IP地址，我还要浪费比特位去区分类别
  2. 主机号的位数太多没必要（一般不会有那么大的局域网去连接那么多台主机）

在这里插入图片描述

子网掩码（真实的划分方式）

命令行+ ipconfig /all：

子网掩码，也是一个32位整数

但是它的特点就是，左侧是1右侧是0，1和0的个数和为32！
255.255.255.0 => 11111111111111111111111100000000
255.252.0.0 => 11111111111111000000000000000000

子网掩码的

【1的那段】代表IP地址的网络号
【0的那段】代表IP地址的主机号
这样其实就可以据局域网实际情况调整主机号的“上限”

家用网络，子网掩码一般是255.255.255.0但是对于一些大型网络，就可能会更复杂~

网络管理员负责

1.7 特殊的IP地址

假定子网掩码为 255.255.255.0

主机号比特位为0的IP

192.168.0.0 => 这个称为网络号

局域网里不应该存在某个主机的主机号为0

主机号比特位全为1的IP

192.168.0.255 => 这个称为广播地址

往这个地址发送UDP数据报，此时这个数据报会被转发给这个局域网里的所有主机！
TCP不支持广播，TCP要建立连接嘛~

例子（投屏）：

手机投屏到电视机上
手机和电视机都下载了投屏软件
手机和电视机在同一个局域网内
手机发起投屏，有一个自动查找电视机的过程，而这个过程就是，将广播地址发送了数据报，哪个设备有回应，就可能是你的电视机
因此手机能获取电视机的IP地址

发送数据报给广播地址，是在我不能预先知道对方的地址的情况下，所需要采取的探测操作

127开头的IP

127.0.0.1（最常用） => 称之为 “环回IP”

127.1.1.1
127.1.1.10
…

环回ip对应特殊的虚拟网卡io

传入或者传出环回ip的数据，走的就是这个虚拟网卡（这个过程没有io操作，是纯内存操作）

所以，这个ip的数据传输要比普通ip快~

主机号为1的IP

192.168.0.1 => 一般称之为 “网关IP”

区别于刚才三种，这一种是习惯约定，不是强制约定

可以手动改的，但是正常没人会去改~

网关 — 局域网的出入口~
在这里插入图片描述

2. 路由选择

机器之间的信息交流，具体要走哪条路？

这就是“网络层”对传输路径规划

互联网，存在大量的冗余

之前核战争的时候，为了防止爆炸导致传播中断，所以是有多条线传输数据的！

那么在这几条路径里，应该要走哪条呢？

地图软件是站在上帝视角，他知道整块地区的模样，只需要解决“带权图的最短路径”问题就行了

在网络上，网络环境更复杂，没这么容易

某个路由器，是无法把整个网络环境的模样记录下来的
- 路由器只能记录周围的情况（较小范围，认识邻居或者邻居的邻居）
路由器内部使用，路由表这种数据结构来记录邻居的信息~

实际的转发过程，是渐进式的，类似于 “问路 一样”逐渐接近最终目标的~

每到一个路由器，就规划一下接下来的路径

图示：

在这里插入图片描述

如果的“目的IP”在路由表里有，直接指明道路
如果没有，它会根据路由表给你规划一条合理的走向目的IP的路
- 路由表中的“下一跳表项”
- 指向更上一级的路由器
  - 越上级的路由器，它的路由表就越大，记忆的就越多，功能也会越多（见多识广的路由器）
- 这个指向，就是到达终点的大致方向

对于路由表这种数据结构，如果不是路由器开发工程师，大概率涉及不到的。在这里不做研究~