网络编程3（网络层，数据链路层）
网络层协议
IP协议
1）地址管理
针对网络上的各种设备所在的位置进行描述和区分。
网段划分
IP地址分为两个部分，网络号和主机号
在同一个局域网中网络号必须相同，主机号必须不同；相邻局域网中网络号必须不同，主机号随意。
子网掩码
要如何区分主机号和网络号？在家用级路由器中，例如192.168.23.100中前三个字节是网络号，最后一个字节是主机号，但是在企业级路由器中就可能不是这样，往往是通过子网掩码来进行划分。
子网掩码是由32位的整数来表示的，它的特点二进制表示是左边全是一，右边的全是0，一的长度代表着网络号，0代表主机号，当主机号（0~255）不够用时就会减少一的数量。
三种特殊IP
1）主机号全为0的，表示该网段不能给任何人使用
2）主机号全为1的，表示广播IP，往这个IP上发信息就是向这个局域网中所有设备发消息（只基于UDP使用）。
3）127.*开头的IP，表示的是环回IP。
2）路由选择
网络结构非常复杂，挑选出合适的路径。
网络上的寻路是探索式的，会根据一级一级的路由器进行寻找。
IP协议的报文结构
4位版本：描述的是当前IP协议的版本，要么是IP V6要么是IPV4，也有其他版本 但是其他版本没有大规模推广使用。
4位首部长度：IP协议中报头也是可以变长的，也包含选项，四位首部长度的范围是0~15，单位是4字节，就意味着IP报头最大长度是60字节。
8位服务类型：其中只有四位有效，分别表示最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性和最小成本。最小延迟代表着发送时间和收到数据的时间尽量短，最大吞吐量表示单位时间内传输的数据尽量多，最高可靠性代表IP本身不考虑可靠性，在IP层面进量减少，丢包的概率，最小成本表示消耗的系统资源最少。
16位总长度：IP数据包表示报头加载和总的长度，对于单个IP协议来说存在着64 KB的长度上限，但是IP协议自身支持拆包和组包的功能，如果超出64 KB的上限，就会自动拆成多个数据包
16位标志位，3位标志，13位片偏移：拆出来的多个数据包的标志是一样的，接收方就会根据这些相同的标志来完成之后的组包。
13位片偏移描述了每个IP数据包的相对位置（顺序），是因为网络中会有后发先至的情况出现。
3个标志：第一个不使用，第二个表示是否触发了拆包，第三个表示是不是最后一个数据包。
这种拆开又组合的方法也可以使用在UDP中，如果要使用UDP传输一个较大的数据，我们就可以在应用层使用这种思想实现。
8位生存时间：表示当前IP数据包能在网络上存活多久，单位不是时间，而是次数，可能是32，64，128。初始状况下，例如是一个128数据包，每次经过路由器转发一次就会减1，如果生存时间为0了，还没有到达对方，就可以认为该包永远也到不了对方了，就可以丢弃了。
8位协议：描述的是当前的IP数据包载荷部分是使用哪个协议（传输层协议），网络层中8位协议区分载荷交给传输层的哪个协议（是交给TCP还是UDP处理）。
16位首部校验：这里的校验只针对ip协议报头部分，至于载荷部分就由传输层等自己进行校验。
32位源IP和32位目的IP：网络上通过IP地址的方式表达主机所在的位置，又通过点分十进制的方式表示IP地址（通过三个点分成四个部分，例如122.23.231.99，每个部分表示一个字节，每个部分表示范围0~255），这样的方式表示的是给人看的，站在计算机的角度来看是通过32位的整数进行识别和储存的。
NAT机制
上面谈到IP的长度是32位，也就是42亿多，在移动互联网时代，这些IP数量是不够用的，所以在在早期使用了动态IP规划，就是上网的设备分配IP，不上网的设备不分配IP，后来又引用更先进的NAT机制。
在NAT机制中引入了外网（公网）和内外（私网）这样的概念：
内网（私网）：带有这些开头的IP就是内网IP
10.*
172.16 *~ 172.31*
192.168*
外网（公网）：除去内网就是外网，外网IP是唯一的。
内网IP是允许在不同局域网中IP重复，也就是说在不同的局域网中会出现两个设备IP地址相同的情况，但是在一个局域网中两个设备的IP要不同。
那么就以下几种情况：A,B两个设备
1）A，B是处于同一个局域网
那么可以直接通过IP进行访问
2）A，B处于不同局域网
A,B间禁止访问
3）A是内网要访问外网B（只有这种情况涉及NAT）
此时就体现了NAT机制的核心，当A发送请求时要经过公网路由器（NAT设备），此时这个路由器就会将请求的源IP改为这个路由器的IP，再发送给接收方，接收方再返回响应时就会先返回到路由器，再由路由器先前的记录重新改回A自己的IP。
这样的机制可以使同一个局域网中的所有设备共享一个公网IP。
当B返回响应时要如何准确将多个同时访问的设备改回自己原本的IP？通过维护一个映射端口的表，当同一个局域网中同时有多个设备访问同一个服务器时，公网路由器就会通过一个映射表将源端口和源IP修改成新的端口和公网IP，等到服务器返回时就会根据新的端口找到旧的端口，同时根据旧的端口得到设备的IP。
NAT主要出现在内网和外网交互过程中，必须是内网设备（客户端）访问外网（服务器）。
处理IP地址不够用的方法还有使用IPV6。
数据链路层协议
数据链路层主要是负责相邻结点的通信，最主要的协议就是以太网（IEEE802.3）和wifi(IEEE802.11)。
1)以太网：通过光纤/网线进行通信
以太网数据帧格式
以太网中的地址指的是mac地址/物理地址，和网络层中的IP地址不同，因为数据链路层是负责相邻两个节点，mac地址指的是相邻两个路由器的地址，例如上海——北京——哈尔滨，此时源IP就是上海，目的IP就是哈尔滨，源地址就是上海，目的地址是北京。
数据报的长度只有1500字节，大约1kb，所以IP协议的拆包组包主要是会受到这里的限制（把长度的上限叫做MTU）。
2）wifi：无线信号