【JavaEE初阶系列】——网络层IP协议(地址管理和路由选择)

🚩网络层

🎈IP协议

👩🏻‍💻IP协议"拆包组包"功能

🎈地址管理

👩🏻‍💻IP地址的分类

👩🏻‍💻NAT机制如何工作的

👩🏻‍💻网段划分

🎈路由选择

🚩网络层

上一篇主要是传输层的UDP和TCP以及应用层是用什么格式来传输数据的。

接下来我们要讲网络层，网络层主要做的事情有两个方面：

地址管理：制定一系列的规则，通过地址，描述出网络上一个设备的位置
路由选择：网络环境比较复杂的，从一个节点到另一个节点之间，存在很多条不同的路径，就需要通过这种方式筛选/规划出更合适的路径进行数据传输 (就是寄快递，传输层只用知道起点和终点，而网络层更细分成起点和终点之间各节点是如何传输的）

🎈IP协议

其中4位TOS字段。

这四个位，彼此之间是冲突的，只有一位设为1，不同的位设为1，表示IP协议的不同的形态。

最小延时1000，最大吞吐量0100，最高可靠性0010，最小成本0010，一般服务0000

👩🏻‍💻IP协议"拆包组包"功能

IP协议，确实也存在64KB这样的限制，但是IP协议自身支持“拆包组包”功能。

16标识：如果一个大的IP数据包需要拆成多个小的，此时拆出来的这多个小包，16标识就是相同的数值
13位片偏移：描述当前每个小的数据包（分片）相对位置。
3位标志：一位表示是否允许拆包，一位表示是否是最后一个包

如果后面遇到了，需要针对UDP拆包组包，可以参考IP这里的实现思路，来完成UDP这里的实现。（将大的包拆分成各个小的包，并且需要用3位标志来确定是否允许拆包是否是最后一个包，然后描述每个小的包相对位置即可。）

TTL的单位是次数，数据包构造出来的时候，TTL会被设置成一个初始值（32，64，128....)

机制：数据包在转发过程中，每次经过一个路由器转发，TTL就会-1。

如果这个数据包，已经把TTL耗尽了，还没有顺利的到达对方，就会被丢弃掉。

这个机制，还是很有用的，给网络能够进行兜底。

假设构造一个数据包，目的IP写作不存在IP，这个数据包不可能达到目标，显然这样的包，也不可能允许在网络上一直存在。

如果TTL设置成32，是否够用？

明明是合法的IP，还没到ttl就消耗完了，这个情况是可能存在的，概率不大，因为还有64，128.....，一般来说TTL是充裕的。

🎈地址管理

IP协议是一个32位的整数，2^32——》42亿9千万

地址，理论上是不会重复的，互联网发展到现在，能上网的设备，非常非常多，其实早就超过了42亿9千万这个数字了，最近还有物联网，就是汽车，空调，冰箱等等都需要上网来完成操作。一个需要上网的设备就需要一个IP地址。

如何解决这个IP地址不够用的问题呢？

动态分配IP

这个方案，治标不治本，提高了IP地址的利用率，并没有增加IP地址的数目。

NAT机制（网络地址转换）

本质上让一个IP地址，代表一批设备。（就比如我们大学生，在一个大学里，我们在淘宝上购物，买了的东西寄的都是一个地方，所以一个地方由一个大学里面几万同学使用）

👩🏻‍💻IP地址的分类

内网IP（局域网IP）

如果一个IP地址，是以 10.* 或者 172.16.*-172.31.* 或者 192.168.* （符合上述条件之一，IP就是内网IP）

在同一个局域网内部，内网IP之间，不能重复的（A和B电脑连的是同一个路由器，她们电脑的IP地址肯定是不能重复的）
在不同的局域网中，内网IP之间，可以重复的（A连的是手机热点，B连的是校园网，A和B电脑的IP是可以相同的）

外网IP（广域网IP）

除了内网IP，剩下的就是外网IP了，外网IP则始终都不允许重复，务必唯一。

当前情况下，通常是一个小区/一个学校/一个公司，都是构成一个大的局域网（这个局域网中可能有几千、几万个设备），这样的一个局域网就是用一个外网IP即可）

（一个外网IP就代表了几千个几万个这样的设备）

这个外网IP就是在我所在的这一大片区，共用一个外网IP。

👩🏻‍💻NAT机制如何工作的

NAT是一种网络技术，通常用于将局域网内部的设备连接到互联网。它通过将局域网内部设备的私有IP地址转换为路由器（NAT设备）的公共IP地址来实现，从而允许这些设备通过路由器访问互联网。（在局域网到广域网的时候，我们需要通过NAT机制，来将ip进行转换）

运营商路由器其实就是一个NAT设备，能够对这里的源ip进行替换。

但是内网Ip不能在广域网中使用，所以我们在连接到广域网之前，就进行交换IP。

所以最后站在服务器角度，源ip是117.158.220.9.4，我这个电脑替换后的ip。（因为我的电脑ip内网不能再外网上使用）

客户端发出请求->局域网->广域网->服务器，那么服务器怎么将响应报文传回去呢？

此时服务器就有个ip数据包，源ip是1.2.3.4，目的ip 117.158.220.9.4，此时经过运营商路由器的时候，运营商路由器是NAT里面有映射关系192.168.0.200->117.158.220.9.4,此时服务器返回响应的时候，我们就将117.158.220.9.4->192.168.0.200,然后返回到客户端。

经历的过程都是靠NAT设备来进行ip替换。

如果当前局域网内，有多个主机，都访问同一个网站服务器，此时服务器返回的响应经过当前的路由器之后，要交还给哪个主机呢？——端口号（比如快递小哥，把包裹放到一个大学门口，这里就可以借助电话号码(端口号）来区分。

端口可是分成同一主机的不同进程，也可以区分成不同主机的不同进程。

虽然ip一样，但是这两个请求来自于不同的端口，返回的响应数据，自然也会带有不同的目的端口。

服务器返回的两条数据：一个目的端口是10001，另一个目的端口是8000，路由器就知道了，10001的这个，就需要把ip替换回第一个主机的ip(192.168.0.100),10001,这个，就需要把ip替换回第二个主机的ip(192.168.0.200)，8000

路由器可以主动的把相同的端口，替换成不同的端口

当前的网络环境 NAT+动态分配的方式来解决IP地址不够用的问题的

NAT机制，最大的优势"纯软件的方案”

也正是因为这个机制，局域网内部的设备，能够主动访问外网的设备，外网的设备无法主动访问局域网内部的设备。（咱们之前写的UDP echo server必须部署到云服务器上才能执行了）

在一个NAT网络中，局域网内的设备可以主动发起连接到互联网上的服务器或服务，因为它们的请求会经过NAT设备，并且NAT设备会对源IP地址进行转换，使得互联网上的服务器能够正确地返回响应。但是，由于NAT设备会修改传出数据包中的源IP地址和端口信息，外部设备无法直接向局域网内的设备发起连接，因为外部设备无法识别和路由到局域网内部设备的私有IP地址。

因此，如果你想在局域网内部搭建一个UDP echo server，并且希望从互联网上的其他设备访问它，确实需要将该服务器部署到公共云服务器上，这样外部设备才能通过云服务器与局域网内的设备进行通信

👩🏻‍💻网段划分

把一个IP地址，会分成两个部分

网络号(标识了一个局域网)+主机号(表示了局域网中的一个设备）

同一个局域网中的设备，网络号必须相同，主机号必须不同。

这两个相邻的局域网，网络号不能相同。

通过一个路由器，连接两个局域网。

192.168.1.10

一个IP地址，哪个部分是网络号，哪个部分是主机号，不一定的。

子网掩码，就是用来确定网络号的。

32位整数，左侧都是1，右侧都是0，不会出现1 0交替出现

1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 （16个1，16个0）

网络号就是 255.255.0

这里的1也不一定是16个，可以根据实际的网络环境，灵活配置的。一般家用路由器，子网掩码是255.255.255.0

如果一个IP地址，主机号全是0，当前这个IP就表示 “网络号“

192.168.100.0

255.255.255.0

代表一个局域网的，给一个具体的主机，是不能分配这个IP的

如果一个IP地址，主机号全是1，表示当前这个IP就是一个”广播Ip“

192.168.100.255

255.255.255.0

也不能给具体的主机分配这个IP的

如果一个IP是127开头的，此时这个IP就是”环回IP"

127.0.0.1(最常用的）都表示”设备自身“，自己发给自己，操作系统提供了一个特殊的”虚拟网卡“，关联到了这个IP上，这里的环回IP主要的用途就是进行一些测试性的工作，环回IP能够排除网络不通干扰因素，更好的排查代码中的问题。

🎈路由选择

路由选择，就是描述IP协议（IP数据报）转发的过程。

从A->B，中间可能有很多条可行的路径，具体怎么走，平时使用地图软件，一搜索，就会出现很多条路径。（地图软件能够做出这样的路径规划，主要是因为，开了全图的，整个地图的信息，路径信息，都是在地图的服务器上全都存储的，给出”最优解“。

而进行IP数据报转发的时候每个路由器，都是无法知道，网络的”全貌“的，只知道一些局部的信息（一个路由器能知道哪些设备和它自己相连的），这就意味着IP数据在转发的过程中，是一个”探索式“”启发式“过程。

路由器转发数据报的过程比较复杂。只能通过一个简单的例子，即可得到一个认识。

一个网络层的数据报，每次到达一个路由器，也会进行上述”问路“过程。

每个路由器内部都有一个数据结构”路由表“，根据数据报种的目的IP，查路由表

如果查到了（问的人，恰好知道咋走），就直接按照路由表给定的方向（从哪个网络接口进行转发），继续转发就行了

如果没有查到（问的人，不知道咋走），路由表里有一个”默认的表项“（下一跳地址），按照默认的表项转发即可。

路由表的数据结构：1.手动配置(网管可以根据需要手动配置） 2.自动获取(背后还有一系列的，路由表生成算法，有点复杂）