java网络原理5
一、网络地址转换（NAT）
1. 原理
- NAT 用于解决 IP 地址不够用的问题 ，将 IP 地址分为外网 IP（公网 IP）和内网 IP（私网 IP）。内网 IP 如 10.、172.16 - 172.31.、192.168.* 等，家用路由器一般分配 192.168 开头的内网 IP 。
- 一个局域网内设备共用一个外网 IP ，通过端口号区分不同设备的网络请求 。运营商路由器记录 IP 和端口的映射关系，如 NAPT（网络地址端口转换） ，当内网设备 A（192.168.0.10）访问外网服务器，源 IP 在内网是 192.168.0.10 ，经运营商路由器转换为外网 IP（如 5.6.7.8 ），同时记录端口映射（如源端口 1000 映射为新端口 1000 ），外网服务器响应时，路由器依据记录还原转发给 A 。
2. 作用及安全性
- 提高了 IP 地址利用率，使得有限的公网 IP 能满足大量内网设备联网需求。
- 增强网络安全性，内网设备对外相对隐藏，外部设备无法主动访问内网设备（除非内网设备先发起访问建立连接 ），类似设备在有门禁的小区，黑客难以直接攻击。
二、局域网（LAN）组网
1. 设备与 IP 分配
- 家用网络中，光猫和路由器是关键设备 。光猫带有“光口”用于插光纤，也是一种路由器 。路由器有 WAN 口和 LAN 口，WAN 口连接运营商网络获取外网 IP（如 10.1.2.3.4 ），LAN 口分配内网 IP 给连接设备（如 192.168.0.1 ） 。
- 路由器通过 DHCP（基于 UDP 应用层协议 ）功能自动为局域网内设备分配 IP ，同一局域网内设备网络号相同（如 192.168.0 ），主机号不同 。若两个设备主机号相同会导致网络冲突，无法上网 。不同局域网网络号不能相同 。
2. 示例
- 图中展示了一个网络拓扑，光猫连接主路由器，主路由器下连接多个设备，如我的电脑（192.168.0.200）、师娘的电脑（192.168.0.199 ）等 ，不同颜色标识不同局域网 。
三、网络层 IP 协议
1. IP 数据报结构
- IP 协议负责地址管理和路由选择 。IP 数据报包含多个字段，如 4 位版本（一般为 IPv4 的 4 或 IPv6 的 6 ）、4 位首部长度、8 位服务类型（TOS）、16 位总长度（表示数据报字节数，最大 64KB ） 。还有 16 位标识、3 位标志、13 位片偏移用于分片重组；8 位生存时间（TTL ，每次经路由器转发减 1 ，为 0 时丢弃 ，常见取值 32、64、128 ）；8 位协议（区分是 TCP 还是 UDP 等传输层协议 ）；32 位源 IP 地址和目的 IP 地址等 。
2. 工作机制
- 进行 IP 数据报转发时，路由器依据目的 IP 地址转发 。若目的 IP 错误，数据报不应在网络中无限转发 。IP 协议内置拆包组包过程（由操作系统处理 ） 。
四、传输层协议（TCP 和 UDP）
1. UDP：用户数据报协议，是无连接、不可靠的传输协议 ，简单高效，常用于对实时性要求高、能容忍少量丢包的场景，如视频直播、在线游戏等 。
2. TCP
- 是面向连接、可靠的传输协议 ，通过确认应答、超时重传机制保证数据可靠传输 ；三次握手建立连接，四次挥手断开连接 ；采用滑动窗口、流量控制、拥塞控制等机制优化传输效率和网络性能 ；面向字节流处理粘包问题 ；通过心跳包等处理异常情况 。常用于对数据准确性要求高的场景，如文件传输、网页浏览等 。
五、IPv4 与 IPv6
1. IPv4 现状与问题
- IPv4 地址数量有限（约 42 亿 ），在移动互联网时代设备剧增情况下地址紧张 。采用动态分配 IP 地址和 NAT 机制缓解地址不足问题 ，但 NAT 也带来一些网络穿透等方面的复杂性 。
2. IPv6 特点与推广
- IPv6 地址空间极大，理论上可给地球上每个沙子分配地址 。其提出时间与 NAT 相近，但在全球普及程度低 ，国内普及程度达 80% 以上 。IPv6 和 IPv4 不兼容，设备升级到 IPv6 需更换支持 IPv6 的路由器等设备 。国内大力推广 IPv6 ，一方面是为了摆脱对 IPv4 体系（由美国主导 ，分配权在美国人手中 ，话语权受制约 ）的依赖，另一方面提升网络自主性和安全性 。
六、VPN 原理
VPN（虚拟专用网络）本质是工作在应用层的代理 。通过在特定设备（如 C ）上安装特殊程序转发请求 ，构造数据报从 A 访问 C 时，请求中包含真实要访问的 IP（B 的 IP ） 。在网络中，路由器相当于加了“墙” ，会禁用部分服务器 IP ，阻止非法或受限的网络访问 。但 VPN 若被用于非法活动（如访问不良信息、违规传输数据等 ）是不被允许的 。