【JavaSE】【网络原理】网络层、数据链路层简单介绍

一、网络层

主要工作：

1. 地址管理：使用IP地址。标识网络设备的位置；
2. 路由选择：在两个通信节点之间，规划一条合理路径。

1.1 IP协议

1.1.1 协议头

协议头格式：

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内容简介：

• 四位版本号：指定协议的版本，IPv4 和 IPv6
• 四位首部长度：单位四字节，最大表示60字节（（2^4) - 1 * 4），但是IP协议首部长度也是可变的，通过选项。
• 8位服务类型：决定IP协议的工作方式。

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，最⼩成本。这四者相互冲突，只能选择⼀个。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：IP数据报整体的总长度（IP协议内置了拆包组包功能）
• 16位标识：表示当前哪几个包是一组的。在拆包的时候，将同一个包拆下来的设为相同的标识。
• 3位标志：第一位保留（现代没使用），第二位表示是否触发拆包（1表示触发），第三位表示是否是最后一个子包（1表示最后一个，其余都是0）
• 13位片偏移：描述先后顺序，在组包的过程，偏移小的包放在前。
• 8位生存时间（TTL）：一个IP数据报，能够在网络上传输的最大时间（实际是次数），数据报每经过路由器转发一次，TTL就减一。
• 8位协议：标识传输层使用哪种协议
• 16位首部检验和：使⽤CRC进⾏校验，只校验首部，不校验载荷了
• 32位源IP地址：源IP地址
• 32位目的IP地址：目的IP地址

1.1.2 地址管理

为保证IP的唯一性，网络设备的数量早超过32位表示的IP数量，解决方法：

1. 动态分配IP：上网分配，不上网不分配
2. NAT机制，网络地址转换：把所有IP分为两大类：公/外 网IP，私/内 网IP（172.16. * - 172.32. * 和 192.168. * 和10. *）。我们只要求公网IP唯一，私网IP在不同的局域网中可以重复。NAT机制就可以使用一个公网IP 对应一系列私网IP
3. 使用IPv6：IPv6使用16个字节来表示IP地址

NAT机制下，网络通信进行的方式：

• （ 同一个局域网，设备A访问设备B）；和（公网设备A访问公网设备B）：NAT不起作用
• （不同局域网，设备A访问设备B）和 （公网设备A访问私网设备B）：NAT机制禁止这种访问方式。
• 局域网设备A访问公网设备B：若干个私网IP共用一个公网IP，设备A的IP会在发给它的公网设备的时候会替换源IP（会使用“哈希表”结构记录，以便返回报文）为公网设备IP，继续发送到目的IP的设备。

网段划分 ：
涉及到组建网络环境（组网）。

• 把一个IP地址，分成两个部分，前半部分，称为“网络号”，后半部分称为“主机号”。比如：192.168.100.98， 192.168.100就是网络号，98就是主机号（这种是可以自己配置，子网掩码属性1的比特位表示网络号）。
• 在一个局域网中，网络号必须相同，主机号必须不同；
• 两个相邻局域网中，网络号必须不同，主机号无限制。

特殊的IP地址：

• 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)测试,通常是127.0.0.1

1.1.3 路由选择

路由选择：通过IP协议，进行数据转发的过程。问路的方式是启发式、探索式的。

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网络环境非常复杂，一个路由器只能知道附近的网络情况。当数据包到达某个路由器的时候，就会匹配这个路由器记录周围设备信息的“路由表”，如果目的IP刚好在此表中，直接按照对应转发。如果没有匹配到，路由表中就按照上图“下一跳”。
路由表大致长相：
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二、数据链路层

2.1 以太网

以太网 是数据链路层 + 物理层的协议。通过网线上网走的协议就是以太网。

2.1.1 以太网数据帧

格式如下图：

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• 源地址和⽬的地址是指⽹卡的硬件地址(也叫MAC地址)，⻓度都是6个字节，是在⽹卡出⼚时固化的；

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• 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP；

• 帧末尾是CRC校验码。

IP和Mac的对比：

• IP地址描述的是路途总体的 起点 和 终点;
• MAC地址描述的是路途上的每⼀个区间的起点和终点；

2.1.2 认识MTU

MTU 就是对数据包大小的限制。和通信的硬件结构相关。
MTU对各协议的影响：

• IP协议：会使IP协议数据包不断拆包组包
• TCP协议：通信双⽅会进⾏MSS协商，MSS的值正好是在IP不会被分⽚处理的最⼤⻓度(这个⻓度仍然是受制于数据链路层的MTU)
• UDP协议：一旦数据报携带数据长度超过1472，就会在网络层分层多个IP数据包

2.1.3 ARP协议

ARP：功能是根据IP地址，得到对应设备的mac地址。

工作流程：

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三、DNS

DNS：域名解析系统。是⼀整套从域名映射到IP的系统。

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• DNS是应⽤层协议

• DNS底层使⽤UDP进⾏解析

• 浏览器会缓存DNS结果