【网络】TCP/IP 五层网络模型：网络层

最核心的就是 IP 协议，是一个相当复杂的协议

TCP 详细展开讲解，是因为 TCP 确实在开发中非常关键，经常用到，IP 则不同，和普通程序猿联系比较浅。和专门开发网络的程序猿联系比较紧密（开发路由器，开发交换机，开发防火墙…）

IP 协议总览

网络层的 IP 协议，主要干两个事：

地址管理：需要指定一套规章制度，能够把互联网上的各种用来上网的设备所在的地址都管理起来==>IP 地址
路由选择：在进行网络通信的时候，对数据报传输的路径进行的规划

IP 协议报头结构

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4位版本

实际上只有两个取值

4 ==> IPv4（主流）
6 ==> IPv6

IPv2，IPv5 在实际中是没有的，可能是理论上/实验室中存在

4位首部长度

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IP 协议报头也是变长的，因为选项个数不确定，所以报头长度也不确定。因此就需要使用 4 位首部长度进行区分

4 位首部长度范围：0~15，所以报头长度 *4 才是实际的长度

当报头长度为 15，则实际报头长度为 15*4=60

8位服务类型

type of service image.png|176
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：从 A 到 B 的时间消耗更少
最⼤吞吐量：从 A 到 B，单位时间内传输的数量更多
最⾼可靠性：数据丢包概率更小（IP 协议并不想 TCP 那样有严格的可靠性）
最⼩成本：设备上消耗的资源更少
这四者相互冲突，只能选择⼀个。其中一个为 1，那么其他的都得为 0。IP 协议拥有变身技能！

16位总长度

IP 数据报的长度 image.png|311
UDP 也是 16 位（2 个字节，64KB）。但并非 IP 协议报头最多能携带的数据就是 64KB

IP 协议内置了拆包组包机制，单个 IP 数据报确实没法超过 64KB，但是不代表 IP 协议不能传输超过 64KB 的数据。IP 协议会自动把大的数据包，拆成多个 IP 数据报携带传输，在接收方再进行拼装

装修的时候，装柜子/床，进不了电梯，也进不了房门，怎么办？

厂家发的货就不是拼装好的柜子和床，而是零件
我们就可以先把零件搬进去，然后再组装起来

16位标识、3位标志、13位片偏移

IP 协议会自动拆包，统一个载荷的数据，会被分成多分，交给多个 IP 数据报来携带。多个 IP 数据包之间：

16位标识 是相同的数值，
13位片偏移 决定组包时候数据报的位置
- 网络传输数据的时候会存在后发先至的情况，所以不能按照发送顺序就确定接受顺序
3位标志 只有两位有效（有一位是保留位，现在不用，以后可能用，先占个位置）
- 其中一个标识这个包是否需要组包（是否是拆包的一部分）
- 另一个表示当前包是否是组包中的最后一个单位

最后组包的时候，根据 16 位标识 确定哪些数据包放在一组，然后根据 13位片偏移 决定顺序，最后根据 3位标志位 决定是不是最后一个

如果就是想使用 UDP 实现传输找过 64KB 的数据，该怎么做呢？

此处参考 IP 协议
在应用层编写代码的时候
- 引入“标识”，约定标识相同的数据，就应该进行组包
- 引入“片偏移”，约定组包的时候的先后顺序
- 引入“标志位”，区分是否需要组包，标识最后一个包

8位生存时间

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描述了一个数据包在网络上存活的最长时间

假设构造一个 IP 数据报，目的 IP 写错了（不存在的 IP 地址），结果这个数据包就在网络上传输了很久，也没有达到目的地。
如果让这样的数据包无限传输的话，就会消耗很多网络资源
这样的数据包存在一个两个还好，要是存在很多呢？总不能让这些数据包把路全部堵死了吧

TTL 就是约定了一个传输时间的上限，当达到上限之后，数据包就会被自动丢弃掉

它的单位不是 s 或者 min，而是次数（经过路由器转发的次数）

发送一个 IP 数据报的时候，会有一个初识的 TTL 的值（32,64,128…）。数据包每次经过一个路由器转发，TTL 就会 -1（经过交换机不减）。一旦 TTL 减到 0 了，此时这个数据包就会被当前的路由器直接丢弃掉

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ping命令：用来检测网络的连通性
输入命令后，我们的电脑就会给百度发送一个数据包，百度收到这个 ping 命令的数据包之后，就会返回一个响应
- 我们发送了四次 32 字节的数据包
- 几十毫秒，说明网络比较好；上百，上千毫秒说明网络比较卡
- 咱们初始 TTL 应该是 64，中间经过了 12 个路由器的转发，最终到达了百度

64 这样的 TTL 够用吗？

正常情况下，64 这样的 TTL 是非常充裕的
六度空间理论（社会科学中的理论）

而且发送数据的时候，还有 128 这样的 TTL

8位协议

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IP 数据包中，携带的载荷，是哪种传输层协议的数据包

通过这里的不同数值，感知到接下来要把数据给 TCP 解析，还是 UDP 解析，还是其他协议解析

类似于 TCP/UDP 报头中的“端口号”，决定要将这个数据交个哪个应用程序，也就是要将这个数据交给哪个应用层的具体协议进行处理
现在 IP 协议要先交给传输层，交给哪个传输层协议进行处理，就通过 8位协议 进行标识

具体的数值这里不谈，这里暂时只聊作用

16位首部校验和

验证数据在传输中是否出错（只是针对首部，IP 报头）

载荷部分 TCP/UDP 都有自己的校验和，此处就不需要再次进行验证了

32源 IP 地址、32位目的 IP 地址

IP 数据报中最关键的信息：数据包从哪里来，到哪里去

输入：ipconfig，就可以看到当前机器的 ip 地址
IP 地址是 32 位的整数
- 这是一个很大的数字，不方便人进行阅读和理解
- 就把 32 位（4 字节）通过 3 个圆点分隔开，每个部分是一个字节，范围 0-255（只要有一个部分不在这个范围，就可以认为是一个非法/错误的 IP）
- 这就是“点分十进制”写法
- 但计算机在底层处理这些数据的时候，都是当成 32 位的 IP 地址来处理的

IP 地址，用来标识网络上的一个设备。期望 IP 地址是唯一的

32 位表示的范围：0—42亿9千万
在现在的社会背景下，所存在的需要 IP 地址的设备肯定是超过了这个范围的

地址管理

就是为了解决 IP 不够用的问题

方案一、动态分配 IP 地址

一个设备上网就分配 IP，不上网就先不分配（权宜之计）

方案二、NAT

网络地址转换

以一当千，使用一个 IP，代表一大波设备

NAT 把 IP 地址分为两大类：

内网 IP / 私网 IP（重要）
- 10.*
- 172.16~172.31.*
- 192.168.*
外网 IP / 公网 IP：除了私网 IP 就都是公网 IP

要求公网 IP 必须是唯一的，但是私网 IP 在不同的局域网中是允许重复的

一台电脑上，有几个网卡就有几个 IP 地址，虚拟出来的网卡也算（软件模拟的网卡）
一般笔记本都会有：有线网卡和无线网卡，具体哪个生效就看你当前是用网线上网还是 WiFi 上网

NAT 网络地址转换

一个设备在进行上网的时候，IP 数据报中的 IP 地址，就会被 NAT 设备（通常就是路由器）进行自动修改

同一个局域网内，主机 A 访问主机 B
不会涉及到 NAT 机制
公网上的设备 A，访问公网上的设备 B
不会涉及到 NAT 机制
不同局域网中的主机 A 访问另一个局域网的主机 B
NAT 机制中，是不允许的

之前写 UDP 回服务器的时候，我这台电脑上启动 UDP 服务器，你使用 UDP 客户端是不能访问的

因为我处于我这里的局域网，你处于你们那的局域网
在 NAT 机制下，一个局域网中的主机 A 是无法访问领一个主机

局域网内部的设备 A，访问公网上的设备 B
NAT 机制主要就是针对这个情况进行生效

但凡是搭建一个服务器给别人使用，都是需要公网 IP 的

单个设备
此时我的电脑要想访问 CCtalk 这个服务器，就要构造一个 IP 数据报
数据包到达运营商路由器（NAT 设备）之后，就会进行网络地址转换
- 将源 IP 地址由我的 IP 地址变为运营商公网 IP 地址
- 所以 CCtalk 看到的数据包，源 IP 不是 192.168.111.222，而是 1.2.3.4

为什么进行这样的 IP 地址的替换就能提高 IP 地址的利用率呢？

其实日常上网的设备：手机、电脑、电视、空调等绝大部分都是在不同的局域网中
此时就相当于一个公网 IP 就可以代表一大批设备

运营商的公网 IP，不是服务一个设备，而是服务一个片区，可能有上万个设备。此时一个 IP 就代表了上万个设备，此时 IP 的利用率就大大提高了

就相当与你在网上买东西，写的收货地址是：北京市海淀区清华园清华大学
这个地址对应着几万个人，而不是你一个人

CCtalk 的响应如何正确地返回到我的电脑上呢？

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CCtalk 要构造一个响应数据包
达到运营商路由器之后，里面的目的 IP 就会被替换回我的电脑 IP
之后就能顺利达到我的电脑
运营商路由器这样的 NAT 设备能在发出和收回的时候都进行 IP 替换，就能使内网设备和外网设备进行连接

多个设备（同一个局域网内）

在网络通信中，不仅仅只有 IP 信息，还有一个关键的是端口号

端口号本来是来区分同一个主机上不同的应用程序的
在 NAT 中，就可以用于区分不同主机上不同的应用程序

在我的和你的数据包到达运营商路由器之后，要进行 IP 替换。同时运营商路由器会记录一个映射关系：

	旧 IP	旧端口	新 IP	新端口
	192.168.111.222	1234	1.2.3.4	1234
	192.168.333.444	1235	1.2.3.4	1235

返回数据包的时候

此时，CCtalk 服务器返回的响应数据也是有 IP，也是有端口
端口就决定这个返回值是给我还是给你
- 运营商路由器收到这个目的端口后，就会看原来记录的映射关系
- 根据传过来的目的端口，运营商路由器可以知道是哪个 IP 传过来的
- 之后再将这个目的端口对应的 IP 替换上去就可以传到对应的设备了
目的端口是 1234，就是传给我
目的端口是 1235，就是传给你

此处就是通过端口号，来区分不同主机的不同程序

是否可能出现：你和我的电脑上 CCtalk 源端口恰好是一样的？

这个概率非常小；客户端这里的源端口，是操作系统随机分配的空闲端口
就算你的端口号也是 1234，但是路由器建立映射关系表的时候，可以把端口号也替换成不重复的其他端口
NAT 既能替换 IP 中的 IP，也能替换 TCP/UDP 中的端口。这个就是 NAPT

我们当前的网络世界，主要就是 NAT 机制的支撑

NAT 机制的缺点

网络环境太复杂了
替换过程中，每一层路由器都需要维护映射关系
每次转发数据，都要查询映射关系
每个步骤都是开销

方案三、IPv6

从根本上解决了 IP 地址不够用的问题

IPv4 使用 32 位 4 个字节表示 IP 地址
IPv6 使用 128 位 16 个字节表示 IP 地址
16 个字节表示的 IP 地址数目，比 4 个字节的 IP 地址大： $2^{128}-2^{32}$ 。这个地址空间非常大，大到可以给地球上的每一粒沙子都分配一个唯一的 IPv6 地址

IPv6 提出的时间是在上个世纪 90 年代，时间上和 NAT 其实是差不多的。之所以 IPv6 举步维艰，因为 IPv6 和 IPv4 不兼容！

要想使用 IPv6，就要更换新的设备（能支持 IPv6 的设备）
在 IPv6 提出的当年，显然是不具备这样的条件的。换设备就得花钱，但花钱了网速又不会变快（用户感知不到好处）
NAT 机制，只要给路由器设备更新升级软件即可，硬件不需要改变（成本非常低）

网段划分（组网）

组网的时候，就需要我们针对每个上网设备 IP 地址（包括路由器的 IP）进行设置

我没设置过，好像插上网线就能上网，这是为什么呢？
对于家庭网络这种比较简单的网络结构来说，路由器都有“自动分配 IP”的功能（DHCP）。但在公司、学校、商场、宾馆… 这些更复杂的场景，网络需求更复杂，就需要进行手动设置了。

子网掩码

IP 地址，32 位整数，一分为二

左半部分：网络号
右半部分：主机号
只看 IP 地址是看不出来的，需要通过“子网掩码”区分出那里是网络号，哪里是主机号

子网掩码也是 32 位整数。左半部分都是 1，右半部分都是 0（二进制数）

在这里 255.255.0.0 就是 11111111.11111111.00000000.00000000
所以上面 IP 地址中，10.61 就是网络号，15.237 就是主机号

网络中规定：

同一个局域网中的设备，网络号必须相同，主机号必须不同

在这个局域网中，某个设备号不相同的话，就无法上网；某个设备的网络号虽然相同，但主机号和别的设备重复，也无法上网

两个相邻的局域网，网络号必须不同

路由器上有两种网络接口：

LAN 口
WAN 口

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此时这个路由器就连接了两个局域网。这两个局域网的 IP 网络号是不能重复的。一旦重复，也上不了网
同一个路由器连接的两个局域网，就叫相邻局域网

LAN 口接设备（你的电脑、电视…），WAN 口接上层路由器

ABCDE 五类网络

AB 类，主机号太多了，实际上一般没有这么大的局域网
IP 地址浪费的比较多
A类：0.0.0.0~127.255.255.255
B类：128.0.0.0~191.255.255.255
C类：192.0.0.0~223.255.255.255
D类：224.0.0.0~239.255.255.255
E类：240.0.0.0~247.255.255.255

特殊的 IP 地址

1. 主机号位全 0（二进制）

此时这个 IP 就是表示当前网段（相当于网络号）
因此，给局域网中的某个设备分配 IP 地址的时候，不能把主机号全设为 0

2. 主机号为全 1

比如子网掩码为 255.255.255.0，IP 地址为 192.169.0.255。这里我们可以看到，IP 地址前三个字节为网络号，后一个字节 255 为主机号（11111111）

主机号为 11111111 就是广播 IP，往这个 IP 地址上发送数据包，就相当与给整个局域网中所有设备都发了一次数据包（针对一个局域网中的对象）。我们很多看到的“业务上的广播”，都是通过应用层编写代码来实现的，而不是借助广播 IP

以 CCtalk 为例，CCtalk 会维护出很多的“教室信息”，你上课的时候就是在其中一个教室，一个教室会涉及到很多同学（教室数据中就包含所有同学的数据）。此时，老师进行直播的时候，老师那边的画面和声音就会发送给 CCtalk 服务器对应的教室那里，CCtalk 服务器就会根据教室中同学的列表，依次遍历每个列表元素，把数据发送出去
机房上课、地震预警大概率都是这样的实现原理

什么时候是真用到广播 IP？（手机，电视投屏）

手机视频有一个投屏按钮（TV），按下按钮，弹出来一个设备列表，选择投屏到哪个设备上（要求手机和电视得在同一个局域网中）

手机上如何知道局域网中有多少设备允许投屏，这样的功能就可以基于广播 IP 实现

手机触发投屏按钮的时候，往对应的广播 IP 上发送一个数据包（UDP）（TCP 不支持广播，只能一对一）
如果收到这个数据包的设备不具有投屏功能，就不吱声；如果支持，就会返回一个响应，告知我是什么设备，我的 IP 是什么

3. 环回 IP（loopback）

127.*

自发自收，给这个 IP 发送一个数据，设备就会从这个 IP 上再收到同一个数据（自己发给自己）

你踢球的时候，自己射门又自己补射（自射自补）

使用环回 IP 一般进行测试。写的网络程序，大多数情况都是为了跨主机通信。但在此之前，往往需要先自行测试，一台测试客户端和服务器之间能否正常交互

一般使用的环回 IP 是 127.0.0.1，虽然其他的 127 开头的 IP 也是可以的，但是很少见

路由选择

网络是复杂的网状结构，从一个节点到另一个节点之间，可能会存在很多条线路（交通网）

你想从北京去上海，你打开高德地图，会给你提供很多条路线让你选择

高德地图的路由选择和 IP 协议的路由选择是有本质区别的
高德地图知道路线的全貌，给你计算出来的路线就是“最优解”（用时最短/成本最低/最少换乘）
IP 协议的路由选择，每个路由器是无法知道网络结构的全貌，只能知道其中的一小部分（每个路由器只知道它附近的设备都是怎样的情况），只能得到“较优解”

基本情况

你想从陕科大去邮电大学

我从陕科大出发，在校门口问 A：邮电大学怎么走？A 表示他也不知道。
但虽然他不知道，但是他大概清楚邮电在南郊，而我们现在在北郊，得先往南走
A 就建议我们先去校门口坐 336 公交，往南先走一段再说
上了 336 之后，我又问 B：邮电怎么走？B 表示他也不知道
B 也大概清楚，邮电在南郊
B 建议我继续坐 336 ，到运动公园下车，换乘地铁二号线
到了运动公园，坐上地铁了，又问 C：邮电怎么走？
C 表示他也不太清楚，大概知道邮电在很南的地方
C 就建议我继续坐二号线往南走，坐到小寨（相当于二号线的中点），之后再问问
到了小寨，又问 D：邮电怎么走？
D 表示他也不太知道，大概知道，应该继续坐二号线，到航天城，让我到了航天城再说
到了航天城，又问 E：邮电怎么走？
E 就告诉我，往西走大概两条街，然后再往北拐半条街就到了
最终到达邮电

每次在进行问路的时候，每个人都是没法知道西安市的完整地图详细信息的，只能知道其中的一部分信息。但他能给我指出一个方向，我按照这个方向走，就会越来越接近，当足够接近的时候，总是可以遇到一个人能告诉我精确目标地点的。

这就和 IP 协议路由选择非常相似。

上述 ABCDE 这几个问路的人，就相当于路由器。每个路由器都不知道整体网络结构的全貌，但是能够知道其中的一部分。知道的这一部分信息，被称为“路由表”，路由器内部维护的重要的数据结构，类似于 hash，key 就相当于 IP 地址（网络号），value 就是对应的网络接口（往哪个方向走）
IP 数据报达到路由器，就要进行路由查表操作：查一查 IP 数据报中的目的 IP 在路由表中是否存在
- 如果查到了，就是按照路由表指定的方向继续转发即可
- 如果没有查到，路由表会有一个“默认的表项”（下一跳）
- “下一跳“指定了一个更高层级的路由器（认识的设备范围更广）
- 这个路由器要是还找不到，就继续“下一跳”，找到更高层级的路由器（认识的设备范围更广）