IP协议/以太网原理介绍

一、网络层
1.IP协议
    ①IP协议的报头格式以及各部分说明：

②对以上其它重要部分再次进行说明：

1.16位总长度：
16位，64k,也就是说单个IP数据报最大程度不能够超过64k。但是在实际中，我们不免会遇到超过64k的数据报，那么这个时候该怎么办呢？
我们就只能使用IP协议自身实现的分包，组包的操作。 而下面介绍的这三个部分，就是用来完成分包，组包操作的核心
2.16位标识，3位标志，13位片偏移：


a.各部分讲解：
b.如何实现分包操作？
  注意！！！在分包的过程中，每个分包本身也不能超过64k.

    这个时候就会有人问，那为什么TCP报头只有一个？
    这里给大家举个例子：
    我有一个作业本，某天上课的时候，老师要求用纸质完成，周围同学没有，纷纷向我借，我就把撕下一张张作业纸给他们，我就相当于把这个作业本分成了很多份，但是，有作业本封面的人却只有我一个。而所有部分合起来才是一个完整的本子。

    3.8位生存时间（TTL）：
    指一个IP数据报在网络中所能存活的最长时间,这里的单位不是s或者ms,而是转发次数。
    对于一个IP数据报而言，当它开始发送的时候，会有一个初始的TTL（常见取值128,64）。当它每经过一个路由器的时候，这个TTL就会自动减1，而当它减到0了就说明永远到不了了，这个时候，收到这个包的路由器就会把它给丢弃（因为在网络中硬件资源是有限的，不可能无休止的转发）

1.1地址管理
    IP地址格式：
    对于IPv4而言，一个IP地址本质上是一个32位的整数，我们常会用到“点分10进制”的方式来表示这个IP地址。三个点把32位整数分为4个部分，每个部分一个字节，每部分的取值范围是0-255（1111 1111）

1.1.1普通地址
    IP地址的组成：
    IP地址是由网络号+主机号组成的
    （网络号：是用来描述当前网段的信息，也就是当前局域网的标识。主机号：是用来区分局域网内部的主机）
    下面用我自己电脑上的IP地址来做示范：


这个时候，就会有人发生疑问了，到底网络号是多少个bit位？前3个吗？是固定的吗？
答案实则是不然的。这个网络号的位数是根据子网掩码来决定的。
那么子网掩码是怎么来决定的呢?
子网掩码的左侧都是1，右侧都是0，（不会0,1混着排列），左边的这些1就表示网络号，剩下0就是表示哪些位是主机号。(仍然用自己电脑上的网络掩码来举)


1.1.2特殊地址
    ①网络号：
    如果IP的主机号全为0,该IP就表示一个网络号（局域网中的一个正常设备，主机号不能为0）

    ②广播地址：
    如果IP的主机号全为1,该IP就是一个"广播地址",往这个IP发送的消息,整个局域网都可以收到。

    ③环回IP：
    如果IP地址是以127开头，就表示这是一个"环回IP",即表示主机自己
    如果IP地址是10开头,或者192.168或者127.16-127.31开头的,表示该IP是一个局域网内部的IP(内网IP),剩下的IP被称为是外网IP(直接在广域网上使用的)。
    注意：！！！
    外网IP一定是唯一的,每个外网IP都会对应一个唯一的设备，而内网IP只在当前局域网内部是唯一的,但是在不同的局域网内可以有内网相同的IP设备。
    这个时候有人又会有疑问了，对于我们的认知来讲不是每一个IP地址和设备都是一一对应的关系，而现在确实多个设备对应一个IP这种多对一的关系，那么为什么会这样呢？
    这个时候，我们就用1.1.3来解决这个问题。

1.1.3NAT机制
    当前使用的版本是IPv4,已知是一个32位的整数,而IPv4所能表示的最大范围约在42亿九千万。而当前互联网的趋势可能家家户户平均下来都有多台，显然这样的局面是远远不够的，因此我们采用三个方法，试图解决这个问题。
    ①动态分配IP地址
    所谓动态分配，是指让每个设备连网时才有IP，不连网时就没有IP，也就是，这一个设备可以有多个用户进行使用，很显然，这不能从根本上解决问题

    ②NAT机制
    指的是让多个设备共用一个IP（这里的IP是指外网IP），我们都知道网络分为了局域网（内网）和广域网(外网)，我们就要求外网IP必须表示是唯一的设备，而同时，内网的若干设备，可以共用一个外网IP，这个时候IP地址的压力就会缓解很多啦。
    而我们仍然需要知道：
    对于NAT机制来说，它将网络分为了外网，内网两个部分，这个时候就表明，对于一个外网IP来说，可以在互联网任何地方进行访问，并且也可以访问到。对于一个内网IP来说，只能在其当前的局域网内进行访问，且任何一个内网IP在其自身的局域网中是唯一的，但是对于不同的局域网而言，他们可能会有相同的内网IP，这是很正常的。
    关于NAT机制，还有值得注意的一点，当多个设备使用同一个IP地址，有多台设备访问外网的同一服务器，服务器收到的IP地址是一样的，那么我们如何准确地对不同设备回复响应呢？


但是这个时候又会面临一个问题，要是源端口号相同咋办？（因为源端口号是系统随机分配的，虽然相同的可能性很小，但不排除）
这个时候NAT不光会把内网IP调整成外网IP，同时也会对端口进行内部的调整。（详细见图）


    但是，即使这样可以很大程度上解决问题，但是仍然不能从根本上解决问题。
    下面的IPv6就是让我们从根本上来解决问题。
    ③IPv6
    为什么说IPv6从根本上解决了问题？
    这是因为IPv6报头用了一个更长的字段来解决问题。
    ：16个字节,128位,这和IPv4的4个字节,比起32位是呈幂指数的增长,据说可以为地球上的每一粒沙子都可以分配一个IP地址。都这样了，难道还怕不够用吗？
    但是为什么IPv6没有被全面普及？这是因为要同时更新硬件设备，成本太高所导致的问题。

1.2路由选择
    ①什么是路由选择？
    路由选择其实就是规划路径，数据想要从一个设备到另一个设备，需要找出一条通道，来完成，使得它来完成整个传输的过程。

    ②具体过程：
    例如：IP数据报中的目的地址，就表示了这个包究竟要发到哪里去。
    对于这个目的地址来说，如果路由器直接认识，那么就会告诉你该怎么走。就算该路由器不认识，它也会告诉你先关路径（大致位置），到了新的位置后，你又可以继续问新的路由器，而要是问了新的路由器后有了多种选择，那么，我们就可以选择一条更为合适的路径。
    举个通俗的例子：
    当你在问别人路的时候，别人不一定准确知道，但是极大可能，他知道大致方位，他就会告诉你到他熟悉的地方，到了那之后，你又可以问新的人，直到到达目的地为止。
    ③什么叫路由器认识这个IP？
    这是路由器在内部中维护了一个路由信息表（一种数据结构），表里面记录一些网段信息以及每个网络号对应的网络接口（网络接口就直接对应到路由器里面具体的端口）。那么路由器时如何形成路由表的？
    当路由器接入网络后，就会和相邻的设备朋友“认识认识”，在认识的时候就构造了这个信息表，当然也可以直接手动进行导入。

二、数据链路层
    对于数据链路层而言，最主要的协议，莫属以太网了，下面就让我们来认识一下以太网协议。

1.以太网协议
    ①什么是以太网协议？
    以太网协议不仅仅规定了数据链路层的内容，也规定了物理层的内容。
    ②认识以太网数据帧：


1.mac地址：
很多人在这里会感到困惑，明明已经有了IP地址，那么为什么还要有mac地址呢？
这是因为，在很久很久以前，网络层协议和数据链层协议都是独立研发出来的。因此，你是否会觉得当今来看的话有些重复，然而在如今，当然又有新的见解了咯。
如今，IP地址是用来表示一次传输过程中的起点和终点。
而mac地址是用来表示一次传输过程中的两个相邻节点的地址，也就是说，一个以太网数据帧每次转发的时候，它的源mac地址和目的mac地址均会发生改变。
举个通俗的例子：
我从成都到北京，源IP地址为成都，目的IP地址为北京。
而我先从成都到河北，再从河北到北京，就涉及到两组mac地址（源mac地址：成都，目的mac地址：河北 => 源mac地址：河北，目的mac地址：北京）

2.帧尾：
帧尾的功能同UDP中一致起的是校验的作用，它是基于CRC算法的校验和。

3.MTU：（46~1500表示数据的加载范围）
MTU表示一个以太网数据帧能够承载的数据范围。
而这个范围取决于硬件设备，而以太网也是和硬件设备密切相关的，而不同的数据链路层设备对应的协议可能不同，MTU也就不同。那么要是数据报超过了MTU怎么办？这就会用到我们前面讲的IP分包，IP分包的并不是给IP报头64k准备的，更多的是用于此处适应数据链路层的MTU。
MTU与TCP协议的联系:
MSS：是TCP在IP不分层的情况下,所能搭载的最大载荷。与此同时，MTU也取决于TCP和IP的报头长度(是可以变长的)。
而MTU和MSS的联系:


4.ARP：（ARP报文不是用来传输数据的，而只是起到简单的辅助作用）
像路由器这样的设备在转发数据的时候，首先会拿到一个目的IP，通过这个目的IP来决定接下来的路怎么去走。而我们前面也讲到了每相邻路径实际是由mac地址来决定的，而目的mac是啥？这就要根据ARP协议，建立起IP=>mac这样的映射关系。
当设备启动的时候,就会向局域网中广播ARP报文,然后每个报文收到后都会给出一个应答,这个应答中就包含了自己的IP和mac地址,然后发起广播的一方就可以根据这些回应建立起这样的映射表了。
这里建立起这样的映射表，通俗一点来讲，还是用老例子：
成都到北京。这就建立起了成都=>河北=>北京这样的映射路线表了


2.DNS协议
    ①什么是DNS协议？
    这是一个域名解析协议，位于应用层

    ②为什么会有这个协议？
    这是因为就算将IP地址点份十进制的形式,但是对于我们来记忆来说还是有一定难度。为了解决这个问题，就决定使用了一串英文字母来表示这个IP地址,而这串英文字母就是域名,类似于www.baidu.com这就是一个域名,而且域名和IP地址是一一对应的关系。

    ③DNS的前身：
    DNS系统刚开始的时候只是一个普通的文件:hosts文件。


④DNS在全球是如何进行推广使用的？
如今host文件也不再使用了,因为全世界的域名太多了，任凭这样改的话，是非常低效的,因此就成立了一个机构专门负责维护这里的域名和IP地址的对应关系,假如你想申请一个域名的话,就可以去这个机构报备一下就可以。
这个机构维护一组服务器就会把hosts文件存到这个服务器里面(域名解析服务器),要是自己想对其域名进行解析的话，就访问一下这个总的服务器就OK。
这个时候就会有人说，那这个多麻烦，每个设备上网要是都去访问这个解析服务器，那这个服务器的压力也太大了吧。
因此就把这个总的域名解析服务器设为根域名解析服务器,另外在每个国家每个地区都有各自的网络运行商,这些运营商就会就近架设域名解析镜像服务器(定时回合根域名解析服务器进行同步),像我们平时上网的话就会访问这些就近的镜像服务器。

⑤DNS遇到的问题：
不知道大家在上网的时候有没有遇到这样的问题：QQ能登录上,但是打不开浏览器。这就是因为就近的域名解析镜像服务器挂了(QQ使用的是自己写死的IP来访问QQ服务器，是不需要进行域名解析的)。
既然遇到了问题，那么我们该如何解决？
手动更改自己的域名解析服务器:打开我的电脑网络设置找到更改适配器选项,点击以太网属性,选择TCP/IP将自动获取域名解析服务器改成手动获取就可以。需要获取的域名解析服务器可以在网上进行搜索。


每当我们查询了DNS后，主机会对其进行缓存一段时间，当我们下次访问同一域名，就可以省略查询DNS的过程了，对于DNS域名和IP的对应关系是很少会改变的。