网络原理（四）—— 网络层、数据链路层与 DNS

网络层

网络层这里重点介绍 IP 协议，首先先解析 IP 数据包：

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先介绍第一行：

4位版本号是指使用了哪一个版本的 IP 协议，这里有 IPV4 和 IPV6 两种协议，现在主要使用的是 IPV4 这一个版本号， IPV6 在国内也在逐步推广中，这里重点介绍 IPV4

4 位首部长度就是 IP 报头占多少个 （四字节），由此可见 IP 报头最大占 15 * 4 = 60 字节

8 位服务类型：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：表示整个 IP 数据包占多少字节

第二行：
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因为 IP 数据包是由最大容量限制的，一旦超过这个限制就会进行拆包，如何确认哪些数据包是一组的呢？
这里就使用了 16 位标识：如果是同一组的数据包，那么标识位就是一样的

3位标志位：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1, 其他是0. 类似于一个结束标记.

13位置片偏移：标识这个数据包具体在这一组的哪一个位置，使用偏移量来表示

第三行：
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8 位生存时间：表示在网络链路中最多可以经过多少个路由器，每经过一个路由那么次数简易，直到减到0，那么这个数据包就会被丢弃。【因为我们发送的数据包的目的IP 可能是不存在的，那么，为了避免这个数据包无限制地在网络中传输消耗资源，才引入了生存时间】

8位协议：表示上一层使用的是什么协议（UDP/TCP…）

16 位首部校验和：专门校验IP 数据包报头有没有出错

最后就是源IP 和目的IP 以及选项（选项最大为40字节）

地址管理

首先IPV4的 IP 地址占 4 个字节，也就是 32 个比特位，大约有42 亿个 IP 地址可供使用，由于时代的飞速发展和科技的不断进步，很多设备都需要上网，在十几年前，IPV4的地址已经被分配完了。

既然 IPV4的地址已经被分配完了，那为什么我们还是可以正常上网？？？

在IPV4耗尽之前，提出了三个解决方案：

动态分配 IP 地址

第一个方案是动态分配IP 地址，因为很多设备不是一天 24 h 都在上网，我们可以将不上网的设备的IP 地址剥夺给其他要上网但没有IP 地址的设备使用，因为要上网的设备特别多，这种方案治标不治本。

NAT

第二个方案是使用 NAT 技术，也就是网络地址转化技术，将 IP 地址分为公网 IP 和私网IP
10.*
172.16.* - 172.31. *
192.168.*
上面三种 IP 地址类型是分配给私网使用的，其他 IP 则是属于公网使用的。

NAT 技术就是使用一个公网IP地址给一个私网使用，一个私网里面可以有成千上万台设备，这样在一定程度上缓解了 IPV4 的 IP 地址不够用的困境。

在公网里的 IP 地址是唯一的不可以重复
在同一个私网里IP 地址是唯一的不可重复的，但是不同私网里可以出现重复的 IP 地址，因为这些设备不在同一个私网里，这就是为什么 NAT 技术可以极大缓解 IPV4 的困境

公网IP是不可以主动访问私网的 IP
私网的IP 不可以主动访问其他私网的IP
私网内部的IP 可以访问本私网内部的其他 IP
私网的IP 可以主动访问公网的 IP
公网的IP 可以主动访问公网的其他IP

那么私网 IP 是如何访问公网的 IP ？？？
这里使用了网络地址转化技术
首先私网的 IP 会被转化为公网的 IP，然后进行数据通信

知识补充：
私网的IP里前面固定的数字是网络号，剩余的后面的数字属于主机号，例如一个私网分配到 192.168.*, 假设它使用 192.168 最为网络号，主机号全为 0，也就是 192.168.0.0，这个IP地址表示整个局域网的网络号，不分配给任意主机使用；如果主机号全为1，那么这个地址就是广播地址，192.168.255.255，可以像整个私网的所有设备发送广播。
由于 IPV4 占 4 个字节，我们一般使用点分十进制来表示，方便我们观察，也就是每一个8位二进制的数字使用十进制来表示，后面再加一个点，例如 127.0.0.1
127. * 是环回地址，这个地址一般是用于设备自测，例如我们之前写的服务器代码，我们会使用 127.0.0.1这个 IP 地址来进行代码测试，这个IP 地址就是本机默认的IP 地址，发送的数据包发送方和接收方都是本机。

地址转化的原理：
利用私网发送的数据包中的IP 地址和端口号，在实现 NAT 技术的路由器中有一个表项，里面存在的是私网的 IP 和端口号对应公网的 IP 和端口号，因为私网所有的设备都使用同一个公网的 IP 地址，所以这里使用 端口号加以区分。

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IPV6

第三个解决方案就是 IPV6

IPV6 使用 128 个比特位来表示 IP 地址，也就是 2 ^128-1 这个数量级，也就是 16 个字节

可以为每一粒沙子都分配一个 IP 地址，在根本上解决了 IPV4 地址不够用。

但是由于 IPV6 和 IPV4 不兼容，所以升级为 IPV6 需要更换硬件设备，现在我们使用的方案是再路由器安装 IPV6 的 IP 地址可以转化为 IPV4 地址的软件，保证不影响当前网络的使用，逐步推进IPV6 的升级，这也是国家网络安全的部署。

路由选择

在路由器上会配置一个路由表
路由表的作用：当某个数据包到达该路由时，下一步应该往哪一个路由走

会存在默认的下一跳的IP 地址，也就是当路由表没有查询到数据包的目的IP 地址的时候，就会将数据包交给下一跳，下一跳的路由器直到的路会更多，可能存在数据包的目的IP 地址的方向，实在没有会继续交给下一跳。

数据链路层

以太网数据帧

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这里的目的地址和源地址都是 6 个字节，为 MAC 地址，MAC 地址是物理地址（和 IP 地址不同，这是直接给硬件标上的地址，每张网卡出厂之前都被标上了唯一的 MAC 地址，由于是MAC 地址占 6 个字节，目前没有被消耗完）

拓展：由于当时设计网络层和数据链路层的大佬们不知道对方都加了地址，所以网络层有IP地址，数据链路层有自己的 MAC 地址，这两种地址都被保留了下来。

IP 地址在网络层使用，关注的是整个网络的转发传输过程，举个例子：加入IP 地址为 129.154.123.183 要发送给 185.146.220.120 一个数据包，那么网络层会使用关注起点和终点
MAC 地址是在数据链路层使用，数据链路层关注的是两个相邻的设备之间的转发，还是上面两个IP 地址的转发，在数据链路层不管你的终点和起点，只关心你这个数据包下一个节点应该往哪里走。

数据链路层的载荷部分类型有三种：IP, ARP, RARP

帧末尾的 CRC 是校验码

数据链路层的载荷部分最大长度为 1500 字节
由于数据链路层能搭载的载荷比较小，所以IP 数据包在数据链路层经常需要进行拆包和租包

ARP 不是用来传输业务数据的，而是根据 IP 地址来得到对应的MAC 地址，例如通过广播地址，发送 ARP 数据包，获得局域网内的所有的设备的 IP 地址和 MAC 地址，最后路由器构建一张类似哈希表的表来保存 IP 和 MAC 地址。