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网络层重点协议——IP协议，在复杂的网络环境中确定一个合适的路径~

本篇文章我们来讲解什么是 IP协议及以太网，在IP协议中，有 地址管理 和 路由选择 两个方式，IP协议是位于 OSI模型 中第三层(网络层)的协议, 在这层上工作的不止这一个协议, 但 IP协议 是网络层传输所使用的最主流的一种协议。

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一、IP协议-地址管理

在IP地址中，地址管理分配的每一个设备的 IP地址 是唯一的~~~

IP协议是位于OSI模型中第三层(网络层)的协议, 在这层上工作的不止这一个协议, 但IP协议是网络层传输所使用的最主流的一种协议。

有IPv4和IPv6两个版本, 目前IPv4在全球仍然是主流使用的协议, 但IPv6在中国已经基本普及了, 而且中国也是全球IPv6覆盖率最高的国家, 下面内容的介绍以IPv4为主。

1.1 IPv4报头介绍

IPv4协议格式如下：

本质上：IP地址，本质上是一个 32 位的整数，通常会把32位的整数，转换成点分十进制的表示方式~~

三个点，把这个整数分成 4 个部分，每个部分，一个字节，每个部分的取值范围 0 - 255

那么 32位 的整数，最多能表示：

• 它可以表示42亿9千万的数据
• 2147483648 * 2

转换公式：

• 0 - 255 ==> -128 - 127(一个字节）
• 0 - 65535 ==> -32768 - 32767（两个字节）
• 0 - 42亿9千万 ==> -21亿 - 21亿（四个字节）

 显然，这是不够用的，全世界有很多的电脑，服务器路由器，还有很多很多的手机~

1.2 动态分配IP地址（缓解）

只有设备在上网的时候才分配地址，不上网就不分配地址

• 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

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，对于的内网设备的路由器，触发 NAT 机制进行ip 替换~~

NAT机制下，把所有的IP地址分为两大类：

1.内网IP（私有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

2.外网IP：剩下的IP地址（唯一）

外网IP是互联网中唯一的地址, 不会出现重复的情况, 分配外网IP的设备可以被互联网中其他的电脑直接访问到.

• 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：在网上购物，收货地址填写的是小区的地址，而小区里面有很多人，每个人用姓名和手机号区分，而进入内网IP 后 则是用端口号区分

如果某个内网里的设备想访问公网的设备, 就需要对应的NAT设备(路由器)把内网IP映射成公网IP, 从而完成网络访问;但是这个外网 IP 不是这个设备独占的，而是这个内网中所以的设备都共用这一个外网 IP 了~~一个外网 IP 代表一系列的设备了~~

反之, 公网的设备也是无法直接访问私网的设备的, 不同局域网的私网的设备没法直接相互访问.

两台主机在发送给路由器之前，主机的 源ip 是路由器的 内网ip，当主机去访问外网服务器时 IP地址会被路由器替换成 路由器自己的外网IP，站在服务器的角度看，主机的IP地址就是路由器的源IP，服务器返回的响应先发给路由器，路由器随后根据设备的端口号来区分响应发给哪个设备.

内网ip： 

 

 NAT机制能够有效解决IP地址不够用的问题, 但带来的副作用就是让网络环境更加复杂了…

1.4 使用 IPv6

IPv6 使用16字节表示IP地址，这可表示的IP地址个数就是一个天文数字了，可以把地球上的每一粒沙子都分配一个地址.

IPv6虽然看起来可以完美的解决问题, 但当今世界上仍然是以NAT+ IPV4＋动态分配来进行网络组建的,除了国内, 世界上其他地方IPv6的覆盖率还是比较低的, 这是因为, lPv6和IPv4是不兼容的, 要想支持IPv6就需要大范围更换路由器等网络设备, 这个成本是极大的, 而国内环境主要是工信部给力啊.

二、IP地址组成

在IPv4中, IP地址分为两个部分, 即网络号和主机号~

• 网络号：标识网段，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，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；

网络号能够描述当前的网段信息(标识一个局域网), 主机号区分了一个局域网中的主机;

要求在同一个局域网内, 网络号必须相同, 主机号不能相同, 两个相邻的局域网(同一台路由器连接), 网络号不能是相同的.

那么如何划分网络号和主机号呢？

2.1 分类

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示（该图出 自
[TCPIP]）

分 类	范围	适用网络	网络数量	主机最大连接数
A 类	0.0.0.0 ~ 127.255.255.255	大型网络	126	16777214 （$2^{24}$-2）
B 类	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	中等规模网 络	约16000 个	65534（$2^{16}$-2）
C 类	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	小型网络	-	254（$2^8$-2）
D 类	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E 类	240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

这种分配了解就好，已经不常用了！！！

2.2 子网掩码

格式
(1)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.

• 255.255.255.0 => 11111111111111111111111100000000

• 255.252.0.0 => 11111111111111000000000000000000

下图是一个经典的局域网环境：

图中两个相邻的局域网的网络号是不能相同的, 属于一个局域网中的设备网络号都是相同的但主机号是不同的, 通过这样网络号和主机号这样的划分就可以进行组网了

 

一个路由器，有两个 ip 地址，分别是在不同的局域网中，一个路由器的作用就是把两个局域网连接起来~~

1. WAN 口 ip
2. LAN 口 ip

在上图中，此时这个路由器就把两个局域网连接到一起了，此时这两个局域网就称为“相邻"的局域网，这俩个局域网的网络号，是不能重复的！！！

但网络号的位数与主机号的位数并不是固定的, 在计算机网络, 有一个单独的概念叫做子网掩码, 它也是使用32比特位对应IP地址的每一位, 如果为1就表示这一位是网络号, 为0就表示主机号, 它是独立于IP地址的另一串数字来辅组记录的, 子网掩码不会混着排列, 左边为1表示网络号, 右边为0表示主机号.

对于家用设备来说, 子网掩码最常见的就是255.255.255.0了, 即11111111111111111111111100000000, 表示IP地址中左边24位构成网络号, 右边8位构成主机号.

 还有一些特殊的IP地址有着特殊的作用:

• 将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络号, 代表这个局域网.
• 将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包.
• 127.*的IP地址用于本机环回(loop back), 通常是127.0.0.1, 本机环回主要用于测试程序是否能正常工作, 是本机到本机的网络通信(系统内部为了性能, 不会走网络的方式传输), 对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言, 常见的开发方式都是本机到本机的网络通信.
• 主机号为1, 即IP地址段的第一个, 比如192.168.0.1, 通常是"网关IP(不绝对, 是可以配置的).
   

例子（投屏）：广播地址

1. 手机投屏到电视机上
2. 手机和电视机都下载了投屏软件
3. 手机和电视机在同一个局域网内
4. 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
5. 因此手机能获取电视机的IP地址

三、路由选择

路由选择其实就是规划路径, 数据想要从一个设备到另一个设备, 需要先规划一条路出来, 然后数据沿着这条路进行传输, 传输到目标IP地址;

 

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，就类似于”问路“这样的过程，逐渐接近目标的

1. 如果的“目的IP”在路由表里有，直接指明道路
2. 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

四、数据链路层——以太网

数据链路层中使用的典型协议也有很多, 其中最知名常用的就是 "以太网"了, 考虑的是相邻两个节点(通过网线/光纤/无线直接相连的两个设备)之间的传输.

以太网帧体格式如下:

1. 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；（出厂写死的）
2. 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
3. 帧末尾是CRC校验码

目的地址, 源地址(6字节): 数据链路层的地址是MAC地址, 表示物理层地址, 这个地址和IP地址是完全独立的另一套地址体系, 每一个设备只有一个物理层地址, 在网卡等硬件设备出厂时这个地址就已经写死了(大部分), 使用6个字节来表示, 地址长度比IPv4长了6w多倍

把这个数据链路层数据帧，最大载荷长度，称为 MTU.以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节.

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~~

 

 

 

4.1 ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议

ARP协议的作用：

ARP协议建立了主机 ip地址 和 MAC地址 的映射关系

• 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
• 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
• 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址
   

五、DNS

DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址
 

域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com

域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：
1. 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了数量。
2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。

• DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器。
• 浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。
• Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts 文件中，
• Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中

在早期的时候, 互联网上的服务器很少, 这域名和IP这样的映射关系只是使用一个hosts文件来维护, 每个用户只需要手动自己的hosts文件就可以了, 现在的电脑还是有这个文件的, 也可以使用. 

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址，
如果电脑的DNS服务器配置不对, 或者是DNS服务器挂了, 就会出现一个典型的情况: 网络正常的情况下, QQ等应用程序可以用, 但是网页打不开了.

我们自己电脑的DNS服务器可以通过如下方式配置,首先打开设置中 “网络和Internet” 中的 “高级网络设置” , 点击 “更多网络适配器器选项”.

然后右击WLAN或者以太网, 选择属性.

 然后选择IPv4的的字段就可以进行配置了.

这里可以自己去配置DNS服务器的地址, 常用地址百度一下就行, 很多的, 也可以选择自动获取(从路由器中获取).