JAVAEE初阶第七节（下）——物理原理与TCP_IP

系列文章目录

JAVAEE初阶第七节（下）——物理原理与TCP_IP

1. 网络层重点协议
2. 数据链路层重点协议
3. 重要应用层协议DNS
4. 总结

一.网络层重点协议

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

IP协议，主要完成的工作，是两方面：

1. 地址管理使用一地址体系（IP地址），来描述互联网上每个设备所处的位置。
   设备不仅仅是电脑/手机，路由器，也会有P地址服务器，也会有IP地址(经典的交换机没有P地址)
2. 路由选择：一个数据包，如何从网络中的某个地址，传输到另一个地址。

协议头格式如下：

• 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。取值只有两种 4 - IPv4（当前的主流IP协议版本。） ,6 - IPv6。

• 4位首部长度（header length）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。

• 8位服务类型（Type Of Service）：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性（IP并非是像TCP一样提供了强可靠性。但是内部也有一些考虑，能够减少丢包的概率），最小成本（硬件设备的开销）。这四者相互冲突，只能选择一个（只能1有一个置为1）。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。

• 16位总长度（total length）：IP数据报整体占多少个字节。(包含报头+载荷)
  虽然IP自身有长度限制，但是P也提供了拆包/组包这样的功能。此时，载荷就可以搞一个很大的，超过64KB也没关系。在IP这一层就会自动拆成多个IP数据报，每个IP数据报来携带载荷的一部分。
  
  上图就是将一个IP数据报分成多个IP数据报，携带一个TCP数据了。
  上述拆包过程都是IP（系统内核）自动完成的程序员通过软件代码无法干预到(IP的拆包并不是因为达到64K,而是在数据链路层还有限制）

• 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的（区分哪些IP数据报的载荷应该往一起组装）

• 3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。类似于一个结束标记。（只有2位有效。其中1位表示这次的IP数据是否拆包了。还有1位表示结束标记）

• 13位分片偏移（framegament offset）：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。（描述了要组装的这些包之间的先后顺序）

• 8位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
  单位不是s/ms而是"次数"这里存储的是一个整数一个IP数据报，每次经过一个路由器转发，TTL就-1。如果这个数值减到0了，此时就说明数据包就要被丢包了。这是为了防止某个数据在网络上被无限的转发下去。比如说，如果指定的P地址，是一个错误的IP地址，此时，不能让这个数据包被无限的找下去，找到一定程度还没找到，就应该放弃了。
  TTL一般来说就是32/64这样的整数，虽然不是很大但是也足以支持当前的网络传输了。

• 8位协议：表示上层协议的类型。表示在传输层使用哪个协议。

• 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。

• 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。最关键的地方，32位源地址和32位目的地址，表示了发件人地址和收件人地址，

• 选项字段（不定长，最多40字节）：略。

1. IP协议如何管理地址

IP地址本质上就是一个32位整数(int)，为了方便就会把IP地址表示成点分十进制的方式。通过3个点分成4个部分，每个部分1个字节，每个部分的取值都是0-255。
IP地址存在，目的就是为了能够区分网络上的不同的设备。希望每个网络设备都有唯一的一个IP地址。
32位的整数，能表示的数据范围，2^32=>42亿9干万。
但是由于网络发展太快了！尤其是进入"移动互联网"时代，人人都有手机，总的网络设备的数量达到百亿级别还是有可能的（上网的设备不仅仅是手机和电脑，还有服务器/路由器）。这就导致了IP地址不够用了。

1.1 解决IP地址不够用的问题

1. 动态分配IP地址

毕竟全世界的设备，也不是同一时刻一起都在上网，更充分的利用现有的IP地址了。但是这种方法治标不治本，并没有根本上解决问题。

2. NAT机制（网络地址映射）

先把P地址分成两个大类
(1)私网IP/局域网IP
IP地址是以10.* ，172.16-172.31.* ，192.168.* 开头的都是私网IP,剩余的都是公网IP。
私网上/局域网上的设备，使用私网IP,只要保证局域网内部的IP不重复即可。不同的局域网之间的IP允许重复。
(2)公网IP/广域网IP
要求公网上的设备，对应的公网P,都必须是唯一的。

（1）公网设备访问公网设备，没有任何问题，直接访问即可。
（2）局域网设备访问局域网设备（同一个局域网中），也没有任何问题。
（3）局域网设备访问局域网设备（不同局域网中），不允许访问。
（4）局域网设备访问公网设备，就需要对局域网设备的IP进行地址转换。
（5）公网设备访问局域网设备，不允许主动访问。

NAT机制如何返回数据：

• 局域网的各个设备访问不同的服务器

• 局域网的各个设备（不同端口）访问相同的服务器

• 局域网的各个设备（相同端口）访问相同的服务器

3. IPv6

从根本上解决问题的方案，增加了IP地址的个数。
IPV4使用4个字节表示IP地址。42亿9千万。2^32
IPv6使用了16个字节表示IP地址。2^128

1.2 网段划分

网段划分是为了进行组网，把一个IP地址，分成两个部分。网络号+主机号。

如果一个局域网中，网络号和主机号都相同，这个时候是无法上网的。
如果局域网中的设备，网络号和路由器的网络号不相同，也是无法上网的(这个主机无法通过路由器访问外网，也不能访问局域网中的其他设备)
两个相邻的局域网，网络号不能相同(一个路由器连接的两个网络，就是"相邻”的)

家用宽带，一般默以就是前三个子节是网络号。主机号的范围就表示局域网中可以有多少设备。一个字节能表示256(不考虑一些特殊的IP)家用宽带来说，256足够了。

1.3 特殊的IP地址

127.0.0.1环回IP(loopback)表示自己本机。 (127.* 都是环回IP)
如果某个P的主机号为全0，表示"这个网段",这个IP比较特殊，不能分配给某个主机。
如果某个IP的主机号为全1（二进制比特位），表示"广播地址" - 192.168.0.255

广播是指一对多这样的传输。而且这里的多，指的是所有设备。
单播：一对一
组播：一对多(多是有限制的，整体的一部分)
广播：一对多（整体的所有）
往广播地址上发消息，局域网中的所有设备都能收到！（必须要发UDP的消息TCP不支持广播！）

1.4 路由选择

路由选择要做的就是规划出一条路线。用于网络结构太复杂了。每个路由器都无法掌握全局的信息，只能掌握一部分局部信息。此时路由器规划出来的路线，只能是一个较优解。

路由器的路线规划是一种探索式/启发式/渐进式的路线规划。无法在最开始的时候就把路线确定好，而是走一步规划一步。

路由器转发数据包的过程就是类似问路的过程
数据报中包含了"目的IP"字段，就是要问路的目标,每个路由器都对于网络环境（和它相邻的设备情况）有一定了解的（路由器内部有一个数据结构，路由表）此时，就可以根据他的了解告诉我们下一步往哪个方向走。
用目的IP去路由表中匹配查看要转发的数据报中的"目的IP"和路由表中的 的那一条记录是对应的。匹配到的结果就会从对应的网络接口进行进一步地转发。
但是由于每个路由器能感知到的信息是有限的，只能知道一些和它相邻的设备的情况。这时候就很可能你此时查询的结果在路由表中不存在。这是路由表中的特殊的表项(default)（下一眺）。（这个表项是一个默认的的选项，它通常是指向更上层路由器。）就能帮助“问路”。

二.数据链路层重点协议

1. 以太网（横跨数据链路层和物理层）

以太网的帧格式如下所示：

• 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；
• 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP； 标识了载荷数据的含义
  （1）类型0800：其中的IP数据报意味着以太网数据帧是一个能够携带业务数据的报文(大概率是业务数据，也有可能是携带一个SYN这种)
  （2）类型0806：其中ARP请求/应答可以认为是两个横跨了网络层和数据链路层的协议，ARP的效果就是能够让路由器/交换机建立一个内部的结构，IP->mac(类似于hash表)。转发表（不是路由表）只是描述了一个设备和那些设备之间是连接着的
  （3）类型8035：其中RARP请求/应答可以认为是两个横跨了网络层和数据链路层的协议,RARP效果是让路由器和交换机也是建立一个内部的结构 mac ->IP
• 帧末尾是CRC校验码。

以太网数据帧，载荷部分，是有一定长度要求的最短是46字节，最常是1500字节。（受限于物理设备的特性）
46字节，是因为ARP是46字节。
1500字节(不到1.5kb)是硬件的限制了。(和以太网的网口/网线这些物理设备有关系的)称为"MTU"（最大传输单元）
IP数据报的拆包组包往往是因为这个MTU导致的，而不是达到了自身的64KB的限制
数据链路层也不仅仅是以太网，还存在其他的协议，不同的协议，对应的MTU也会有所差别。

数据链路层，引入了另外一套地址体系，称为"mac地址"/物理地址。（mac地址和IP地址是独立的两套地址体系。）

IP地址侧重于全局的转发。从起点到终点这整个转发过程，通过IP地址负责完成。(查询路由表，通过IP地址)
MAC地址，侧重于局部的转发。两个相邻设备之间的转发(一个电脑连上一个路由器，这俩就是相邻设备)
一般的开发中很少会使用到mac地址，而IP地址会用的非常多。

mac地址通常按照16进制的方式表示，字节之间通常使用-或者：来分割。

mac地址表示的范围比IPv4的地址大很多，因此当前mac地址都是和主机（网卡）一对一绑定的。
IP地址很多时候是动态分配的，mac地址就是静态分配的。网卡出厂的时候，mac地址就写死了。
由于mac地址有这样的特性，有些程序，就会使用mac地址来作为你机器的身份标识

前面通过路由表，拿着IP查询走哪个网络接口通常指的是路由器的LAN /WAN还需要当前网络环境，来获取到这里的对应要转发给的mac地址（需要知道通向的设备具体的mac地址是啥）

三.重要应用层协议DNS）

DNS-域名解析系统

使用IP地址来描述网络设备的位置。使用点分十进制，但是还是太方便进行更好的传播。因此就引入了域名。
域名是一串可读性更好的单词。把域名自动的转换成对应的IP地址。
例如：https://www.baidu.com
最开始的时候是通过hosts文件来进行转换的,hosts文件的内容就是行文本，包含很多行，每一行都有IP和域名。每次访问某个域名就会进行查询，获取到对应的IP.
hosts文件内容：

hosts文件目前仍然是有效的，只不过一般情况下都是空的内容

随着互联网的发展，域名和服务器都越来越多了，此时维护hosts文件，非常麻烦了。于是就有大佬干脆搭建了一组服务器，来提供域名解析服务。(hoss内容放到服务器里了)
某个主机要想访问某个域名，就先查询一下域名解析服务器(DS服务器)，查到的结果，就是域名对应的IP,拿着IP进行访问即可。

DNS服务器，并非是只有唯一 一份，是有很多份.

最开始的这一套DNS服务器，称为“根域名服务器"这里的内容是最全的。各个国家的网络运营商，再根据根域名服务器里的内容，搭建出"镜像服务器”（全世界有无数个镜像）。网民上网的时候，一般都是就近的访问附近的运营商的镜像DNS服务器，镜像会定期的从根域名服务器这里同步数据。

搭建域名服务器的时候还会对于域名进行分级管理，一级域名，二级域名，三级域名。这样就可以控制每个服务器管理的数据都不多。

四.总结

数据链路层 :

• 数据链路层的作用：两个设备（同一种数据链路节点）之间进行传递数据
• 以太网是一种技术标准；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；
• 以太网帧格式
• 理解mac地址
• 理解arp协议
• 理解MTU

网络层

• 网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
• 理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
• 理解IP协议格式。
• 了解网段划分方法
• 理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案。理解私有IP和公网IP
• 理解网络层的IP地址路由过程。理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地。
• 理解IP数据包分包的原因。
• 了解NAT设备的工作原理。

传输层

传输层的作用：负责数据能够从发送端传输接收端。
理解端口号的概念。
认识UDP协议，了解UDP协议的特点。
认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性。理解TCP协议的状态转化。
掌握TCP的连接管理，确认应答，超时重传，滑动窗口，流量控制，拥塞控制，延迟应答，
捎带应答特性。
理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
能够基于UDP实现可靠传输。
理解MTU对UDP/TCP的影响。

应用层

应用层的作用：满足日常需求的网络程序，都是在应用层
能够根据自己的需求，设计应用层协议。
了解HTTP协议。
理解DNS的原理和工作流程。