计算机网络-网络层
核心协议：IP
工作内容：
1、地址管理->IP地址
2、路由选择->对数据包传输路径进行规划
关于各种协议的报头里的字段，大概有一个直观的了解
IP协议报头结构
4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4。实际上只有两个取值，还有一个是6->IPv4，只不过IPv4是主流的。
4位头部⻓度(header length): IP头部的⻓度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表⽰最⼤的数字是15, 因此IP头部最⼤⻓度是60字节。
8位服务类型(Type Of Service): 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（数据从A到B的时间消耗最短）, 最⼤吞吐量（数据从A到B单位时间内，传输的数量更多）, 最⾼可靠性（IP协议并不像TCP那样有严格的可靠性，但是IP一些机制也会影响到丢包的概率）, 最⼩成本（设备上消耗的资源更小）。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位总⻓度(total length): IP数据报的总长度
UDP也是16位（2字节），是不是意味着也只能最大传输64KB呢？
并非如此IP协议，内置了拆包组包机制（下图这三个属性就描述了这个过程）,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。
eg、买的柜子、床、椅子，非常大进不了电梯，也进不了房门，咋办？厂家发的货，本身就不是囫囵个的柜子和床，而是零件，到了屋里之后，再组装起来就可以了~~
16位标识(id): 唯⼀的标识主机发送的报⽂. 如果IP报⽂在数据链路层被分⽚了, 那么每⼀个⽚⾥⾯的这个id都是相同的.
3位标志字段: 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, 这时候如果报⽂⻓度超过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位分⽚偏移(framegament offset): 是分⽚相对于原始IP报⽂开始处的偏移. 其实就是在表⽰当前分⽚在原报⽂中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的. 因此, 除了最后⼀个报⽂之外, 其他报⽂的⻓度必须是8的整数倍(否则报⽂就不连续了).
IP协议会自动拆包，同一个载荷的数据，会被分成多份，交给多个IP数据报来携带。多个IP数据报，16标识是相同数值，--> 13位片偏移决定组包的时候数据包的先后顺序(避免后发先至), --> 3位标志位，只有2个有效(剩下一个保留位)其中一个，表示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。
8位⽣存时间(Time To Live, TTL): 数据报到达⽬的地的最⼤报⽂跳数. ⼀般是64. 每次经过⼀个路由, TTL -= 1, ⼀直减到0还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是⽤来防⽌出现路由循环
一个数据包在网络中最多存活多长时间。假设构造一个IP数据报，目的IP写错了，写成不存在的IP，如果让这样的数据包，无限传输，就会消耗很多网络的资源，TTL约定了传输时间的上限，达到上限之后，数据包就会自动被丢弃掉~~TTL的单位不是s或者min,而是"次数"
指的是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始的TTL的值(32,64,128.…)数据报每次经过一个路由器转发，TTL就会-1（经过交换机，不减的）
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~~eg、
几十毫秒，说明网络是比较好的，上百毫秒，上干毫秒，网络就是比较卡的~~
数据包初始TTL64，中间经过了13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，而且发送数据包的时候还有128这样的TTL。
但是计算机世界不一样.每个路由器，执行力都是非常强的，每个路由器，虽然不能感知到整个网络结构的全貌，但是都能了解网络结构的一部分（具体来说每个路由器都认识哪些设备和他相邻的)
8位协议: 表⽰上层协议的类型
IP数据报中，携带的载荷，是哪种传输层协议的数据报，通过这里的不同数值，感知到，接下来要把数据交给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"。
16位头部校验和: 使⽤CRC进⾏校验, 来鉴别头部是否损坏.
验证数据在传输中是否出错(只是针对首部，IP报头)，因为载荷部分TCP/UDP都有自己的校验和了。
32位源地址和32位⽬标地址: （IP数据报中最关键的信息）表⽰发送端和接收端.
是32位的整数,一个很大的数字不方便人进行阅读和理解
点分十进制写法:把32位(4字节)IP地址通过3个圆点分割开,每个部分是一个字节,范围0-255IP地址用来标识网络上的一个设备，期望IP地址，是唯一的。
32位表示的数据范围，0->42亿9千万
这样的数字，还充裕嘛？如果放到15年前回答，认为不会超过，但是放到今天可就不一定了。从进入移动互联网时代，2007年，乔布斯发布一代苹果手机，每个人的手机，也是能上网的。解决IP不够用的问题
方案一：动态分配P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（当前的网络世界，主要就是在NAT机制支撑下，面试很少直接考NAT，不是考点，但是这个机制理解当前互联网工作基本原理的重要环节~~）
以一当千，使用一个IP代表一大波设备
把IP地址分成两大类（重要）
1.内网IP/私网IP 10.* 172.16-172.31.* 192.168*
2.外网IP/公网IP
要求公网IP必须是唯一的.但是私网IP是允许重复的（在不同的局域网中是允许重复的）
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）进行自动的修改
1.同一个局域网内，主机A访问主机B不会涉及到NAT机制
2.公网上的设备A,访问公网上的设备B不会涉及到NAT
3.一个局域网中的主机A访问另一个局域网的主机B在NAT机制中，是不允许的！
4.局域网上的设备A，访问公网上的设备B，NAT机制主要就是针对这个情况生效
但是如果有多台电脑同时访问公网，公网返回响应数据包时怎么区分不同电脑呢？
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。
此处也就是通过端口号区分不同主机的不同程序
假设有不同主机但存在相同的端口号（概率极小极小）
此时路由器在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号
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，都是开销。
解决IP地址不够用方案三：IPv6从根本上解决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
IPv6的地址空间非常巨大，可以给地球上的每一粒沙子都分配一个唯一的IP地址~~IPv6提出的时间是在上个世纪90年代,时间上和NAT其实差不多的,之所以IPV6推广举步维限，是因为IPv6和IPv4不兼容！要想使用IPv6就需要更换新的设备（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，但是花了这个钱，网速又不能变快，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）但是IPv6在国内普及程度非常高超过70%了，IPv6的推进甚至上升到了"国家战略"维度
为啥国家要大力推进这个事情呢？
截⽌到 2023 年 8 ⽉ 28 ⽇, 我国 IPv6 活跃⽤⼾数达7.67亿(⽹⺠总数为10.79亿, 占⽐ 71%), 世界领先.
⼤⼒发展 IPv6 的原因, 参考以下视频.
电⼦监听、全国断⽹，棱镜⻔背后，中国如何从末路狂奔到世界之巅_哔哩哔哩_bilibili
选项字段(不定⻓, 最多40字节): 略
地址管理
网络划分
IP地址中的"网段划分”,组网（组建网络）
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
有的同学说我也没设置过，好像插上网线就能上网呢？
对于家庭网络比较简单的网络结构来说，路由器都有"自动分配IP"功能(DHCP)
公司，学校，商场，宾馆…更复杂的场景，网络需求更复杂，就需要手动进行设置了
通过"子网掩码（CIDR）”区分出哪里是网络号，哪里是主机号
IP地址分为两个部分, ⽹络号和主机号。子网掩码：255.255.255.0 也是32位的整数，左半部分都是1，右半部分都是0（二进制数为1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000），不能01穿插出现，也可以缩写为 /24（左边有24个1）。
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
两个相邻的局域网（同一个路由器连接了两个局域网）,网络号必须不同
某个设备网络号不相同的情况，无法上网
某个设备网络号虽然相同，主机号和别的设备重复，也无法上网
除了子网掩码的方案，还有一种方案，ABCDE五类网络
上古时期的网络划分方式，现在已经看不到这个方式了，仍然存在于教科书上.
AB类，主机号太多了，实际上一般没有这么大的局域网，这个方案不涉及到子网掩码，IP地址浪费的比较多
特殊的IP地址
1、主机号为全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，不能把主机号设为全0.2、主机号为全1（二进制）广播IP
比如子网掩码是255.255.255.0 192.168.0.255
往这个IP地址上发送数据包，就相当于给整个局域网中所有的设备都发了一次数据包
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IP3.127.* 环回IP(loopback)
自发自收.给这个IP发一个数据，设备就会从这个IP上再收到同一个数据
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
往往需要先自行测试.一台主机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就是127.0.0.1
虽然其他127开头的IP也是可以的.但是很少见~~
路由选择
路由选择是非常大的话题，深入挖掘会产生出很多的，很复杂的技术体系.和咱们都关系不大
1.开发路由器的程序员
2.运营商的网络维护人员
(普通的网络管理员，都不必关注这些)
咱们这里只是浅浅的聊一下路由选择的大概流程~
路由的过程, 是⼀跳⼀跳(Hop by Hop) "问路" 的过程.所谓 "⼀跳" 就是数据链路层中的⼀个区间. 具体在以太⽹中指从源MAC地址到⽬的MAC地址之间的帧传输区间.
IP数据包的传输过程也和问路⼀样.
• 当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看⽬的IP;
• 路由器决定这个数据包是能直接发送给⽬标主机, 还是需要发送给下⼀个路由器;
• 依次反复, ⼀直到达⽬标IP地址;
那么如何判定当前这个数据包该发送到哪⾥呢? 这个就依靠每个节点内部维护⼀个路由表;
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.
路由表（路由器内部维护的重要的数据结构）路由表类似于hash一样
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数据报到达路由器，就要进行路由表查表操作
IP数据报中的目的IP,查一查这个目的IP在路由表中是否存在，
如果查到了，自然按照路由表指向的方向继续转发即可
如果没查到，路由表会有一个"默认的表项”（下一跳）
指向了一个更高层级的路由器（认识的设备范围更广）
上面讨论的过程，是一个直观的认识的过程,真实的转发过程，会更加复杂
(1)路由表里的东西是咋来的？
自动获取的（路由表生成算法）
手工配置（网络管理员，手动设置）
(2)真实的网络结构（尤其是广域网的网络结构是怎样的）
非常非常复杂
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