网络原理2-网络层与数据链路层

网络层

网络层做的工作：

1、地址管理–>IP地址

2、路由选择–>数据包传输的路径规划

网络层主要的协议就是IP协议

IP协议的报头结构：

4位版本： 有两个取值，4表示IPv4，6表示IPv6，默认是IPv4

4位首部长度： IP协议的报头也是可变长的，实际报头长度是该值*4，例如首部长度为10时，实际报头长度是40

8位服务类型TOS： type of service，表示IP协议以哪种模式进行工作。3位优先权已经弃用，1位保留字段，实际上只有4位有效，4位分别表示：最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这4个相互冲突，只能选择一个

16位总长度： IP数据包的总长度，表示IP数据报整体占多少个字节，16位，也就是64kb，IP协议会把大的数据包拆成多个小的数据包，到达接收方后会自动组包。所以不代表IP协议不能传输64kb以上的数据包。

16位标识： 同一个载荷的数据会被分成多个IP数据包来进行传输，这些数据包的16位标识是相同的，

3位标志位： 只有2个有效，其中一个表示这个包是否需要组包（判断是否是拆包的一部分），另一个表示当前包是否是组包中最后一个包。剩下一个是保留位。

13位片偏移： 片偏移决定拼装组包时，数据包的位置

8位生存时间（TTL）： 表示一个数据包在网络中最多存活多长时间。TTL的单位是次数，表示经过路由器转发的次数。如果一个IP数据包的中的目的IP写错了，写成不存在的IP地址，这样的数据包不能让它无限传输，当达到了TTL的上限后，这个数据包就会被自动丢弃。发送数据包时会有一个初始的TTL（32、64、128…），数据包每经过一个路由器转发，TTL就会-1，TTL一旦减为0，这个数据包就会被当前的路由器丢弃。

8位协议： 描述了IP数据包携带的载荷，是根据哪种传输层协议进行传输的（TCP、UDP等）

16位首部校验和： 验证数据在传输中是否出错（针对IP报头）

32位源IP地址： 描述IP数据包从哪来的

32位目的IP地址： 描述IP数据包到哪里去

选项： 可选的项

数据： 要传输的数据

关于IP地址：

IP地址一般是用32位整数描述的，一个IP地址分为两部分，左边部分是网络号，右边部分是主机号。至于哪些部分是网络号，哪些部分是主机号，需要根据子网掩码判断。根据子网掩码的二进制形式，判断，子网掩码为1的部分就是网络号，为0的部分就是主机号。例如：

子网掩码为255.255.255.0，IP地址为192.168.100.150，子网掩码换成二进制形式就是：11111111 11111111 11111111 00000000，说明前24位是网络号，也就是192.168.100是网络号，150是主机号。

以上这种子网掩码的方案，是比较常用的一种方式，还有一种方案：ABCDE五类网络，在如今，这种方式只出现在教材中，我们不过多介绍。

特殊的IP地址：

1、主机号全为0：这个IP相当于当前网段（相当于网络号）。给某个设备分配IP地址时不能把主机号设为全0

2、主机号全为1：如192.168.0.255，这个IP是广播IP，往这个IP地址发送数据包，相当于给整个局域网中所有的设备发送了数据包

3、127开头：这个叫环回IP，给这个IP地址发送数据，设备就会从这个IP地址上收到相同的数据，相当于自己给自己发，常见的环回IP是127.0.0.1

我们知道IP地址用是32位表示的，表示的范围也就是0 ~ 42亿9千万，这样的范围放在现在的时代，有非常大的可能会出现IP地址不够用的情况，毕竟光全球人口数量就比42亿多，那么有没有什么办法解决这个问题？

方案1：动态分配IP地址

动态分配就是，当设备上网的时候，就分配IP地址，不上网的时候就不分配。

方案2：NAT（Network Address Translation）网络地址转换

NAT的原理就是，一个设备上网的时候，IP数据包的地址会被NAT设备进行修改。

我们一般把IP地址分为两大类：

一类是私网IP(内网IP)：10.开头，前8位是网络号、172.16 ~ 172.31，前12位是网络号，192.168开头，前16位是网络号。这些范围内的都称为私网IP

一类是公网IP(外网IP)：除了私网IP范围之外的IP

同一个局域网内，A主机范围主机B是可以的（不涉及NAT）；公网上的设备A访问公网上的设备B也是可以的（不涉及NAT）；一个局域网中的主机A访问另一个局域网的设备B，NAT机制不允许这样做；NAT主要处理的是：局域网内部的设备A访问公网上的设备B。

问题是，局域网内不止我一个人使用CSDN，当CSDN收到数据包时，返回数据包，怎么知道是给谁返回呢？网络通信中不止有IP地址信息，还有端口号，在NAT中，端口号可以区分不同主机上的不同应用程序。

运营商的NAT设备，会保存替换的映射关系，根据映射关系，就能确定是返回给我还是返回给朋友。

方案3：使用IPv6，IPv4使用的是32位表示地址，而IPv6使用128位表示，这个范围可以使地球上的每一粒沙子都能有自己的IP地址，IPv6不是IPv4的升级版，所以想大力推广使用IPv6，需要更换硬件设备，成本非常大，目前咱们普及程度是非常高了~

路由选择：

路由选择就是路线规划，规划数据包在网络中走哪个路由器进行传输。当IP数据包到达路由器时，路由器会查看目的IP，决定数据包是不是能直接发给目的主机，还是说要发送给下一个路由器，如此往复直到达到目的IP地址。具体的流程可以查看资料，咱们Java程序员了解一下即可。

数据链路层

数据链路层中最常见的协议：以太网

以太网数据帧格式如下：

目的地址和源地址都是mac地址，不是IP地址。

mac地址和IP地址的区别

1、mac地址使用6个字节表示，范围大

2、一般计算机或者其他设备在出厂时，mac地址就被分配好了，不能再修改了，mac地址也能作为设备的身份标识。IP地址可以手动修改

3、mac地址使用在数据链路层，用来实现两个设备之间的数据转发；IP地址是在网络层中使用的。

类型：描述了载荷中是什么样的数据

ARP是建立IP地址和mac地址的映射关系，当前设备接入网络时，会往广播地址发送ARP报文，收到ARP请求的设备会返回ARP响应，在响应中告知自己的IP和mac地址

46 ~ 1500字节：1500描述了数据链路层数据帧最大载荷长度
以上是网络层和数据链路层的相关介绍，作为Java程序员，我们需要了解的就是这些~