【JavaEE】计网之IP协议+以太网+DNS

你的名字 2024-03-22 16:16 69阅读 0赞

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>  *  **博主简介：想进大厂的打工人**
>  *  **博主主页：**[@xyk:][xyk]
>  *  **所属专栏: [JavaEE初阶][JavaEE]**

**网络层重点协议——IP协议**，在复杂的网络环境中确定一个合适的路径~

本篇文章我们来讲解什么是 IP协议及以太网，在IP协议中，有 地址管理 和 路由选择 两个方式，IP协议是位于 OSI模型 中第三层([网络层][Link 1])的协议, 在这层上工作的不止这一个协议, 但 IP协议 是网络层传输所使用的最主流的一种协议。

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**目录**

文章目录

一、IP协议-地址管理

1.1 IPv4报头介绍

1.2 动态分配IP地址（缓解）

1.3 NAT 机制

1.4 使用 IPv6

二、IP地址组成

2.1 分类

2.2 子网掩码

三、路由选择

四、数据链路层——以太网

4.1 ARP协议

五、DNS

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## 一、IP协议-地址管理 ##

在IP地址中，地址管理分配的每一个设备的 IP地址 是唯一的~~~

IP协议是位于OSI模型中第三层(网络层)的协议, 在这层上工作的不止这一个协议, 但IP协议是网络层传输所使用的最主流的一种协议。

有IPv4和IPv6两个版本, 目前IPv4在全球仍然是主流使用的协议, 但IPv6在中国已经基本普及了, 而且中国也是全球IPv6覆盖率最高的国家, 下面内容的介绍以IPv4为主。

### 1.1 IPv4报头介绍 ###

**IPv4协议格式如下：**

![cceead953cf5433f8e787c2e33f5c294.png][]

本质上：IP地址，本质上是一个 32 位的整数，通常会把32位的整数，转换成点分十进制的表示方式~~

三个点，把这个整数分成 4 个部分，每个部分，一个字节，每个部分的取值范围 0 - 255

那么 32位 的整数，最多能表示：

*  它可以表示42亿9千万的数据
 *  2147483648 \* 2

> 转换公式：
> 
>  *  0 - 255 ==> -128 - 127(一个字节）
>  *  0 - 65535 ==> -32768 - 32767（两个字节）
>  *  0 - 42亿9千万 ==> -21亿 - 21亿（四个字节）

**显然，这是不够用的，全世界有很多的电脑，服务器路由器，还有很多很多的手机~**

### **1.2 动态分配IP地址（缓解）** ###

**只有设备在上网的时候才分配地址，不上网就不分配地址**

*  可以省下一大批 IP 地址,但是并没有增加 IP 地址的数量
 *  **治标不治本,只能缓解~~**

路由器的一个功能，**DHCP**

*  如果开启了DHCP，此时路由器就自动给你的设备分配一个局域网内唯一的ip
    
     *  默认是开启自动分配的
     *  不开启也可以，但是需要人工来保证你的ip是唯一的
     *  如果与别人重了，两个人都得寄

**昨天的IP和今天的很可能不一样~**

### 1.3 NAT 机制 ###

在 NAT 背景下如何通信?

> 外网设备 -> 外网设备，不需要任何 NAT，直接就能通信
> 
> 内网设备 -> 其他内网设备，不允许！！
> 
> 外网设备 -> 内网设备，不允许！！
> 
> 内网设备 -> 外网设备，对于的内网设备的路由器，触发 NAT 机制进行ip 替换~~

NAT机制下，把所有的IP地址分为两大类：

> 1.内网IP（私有IP）：【10.\* 】或者【172.16.\* ~ 172.31.\* 】或者 【192.168.\* 】
> 
>  *  只要是这三种开头的，都被称为内网ip
> 
> 2.外网IP：剩下的IP地址（唯一）

外网IP是互联网中唯一的地址, 不会出现重复的情况, 分配外网IP的设备可以被互联网中其他的电脑直接访问到.

*  **多个设备一个外网IP，一个设备一个内网IP**
 *  **不同外网IP的设备，可以有同一个内网IP**

例子：在网上购物，收货地址填写的是小区的地址，而小区里面有很多人，每个人用姓名和手机号区分，而进入内网IP 后 则是用端口号区分

如果某个内网里的设备想访问公网的设备, 就需要对应的NAT设备(路由器)把内网IP映射成公网IP, 从而完成网络访问;但是这个外网 IP 不是这个设备独占的，而是这个内网中所以的设备都共用这一个外网 IP 了~~一个外网 IP 代表一系列的设备了~~

反之, 公网的设备也是无法直接访问私网的设备的, 不同局域网的私网的设备没法直接相互访问.

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两台主机在发送给路由器之前，主机的 源ip 是路由器的 内网ip，当主机去访问外网服务器时 IP地址会被路由器替换成 路由器自己的外网IP，站在服务器的角度看，主机的IP地址就是路由器的源IP，服务器返回的响应先发给路由器，路由器随后根据设备的端口号来区分响应发给哪个设备.

**内网ip：**

![b59f82f3c9bb4ec496f37fab32a61d1c.png][]

NAT机制能够有效解决IP地址不够用的问题, 但带来的副作用就是让网络环境更加复杂了…

### 1.4 使用 IPv6 ###

IPv6 使用16字节表示IP地址，这可表示的IP地址个数就是一个天文数字了，可以把地球上的每一粒沙子都分配一个地址.

IPv6虽然看起来可以完美的解决问题, 但当今世界上仍然是以NAT+ IPV4＋动态分配来进行网络组建的,除了国内, 世界上其他地方IPv6的覆盖率还是比较低的, 这是因为, lPv6和IPv4是不兼容的, 要想支持IPv6就需要大范围更换路由器等网络设备, 这个成本是极大的, 而国内环境主要是工信部给力啊.

## **二、IP地址组成** ##

在IPv4中, IP地址分为两个部分, 即网络号和主机号~

*  网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
 *  主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

网络号能够描述当前的网段信息(标识一个局域网), 主机号区分了一个局域网中的主机;

要求在同一个局域网内, 网络号必须相同, 主机号不能相同, 两个相邻的局域网(同一台路由器连接), 网络号不能是相同的.

那么如何划分网络号和主机号呢？

### 2.1 分类 ###

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示（该图出 自  
\[TCPIP\]）  
![d3db8b937f0d4bc98b30b65504d2f3e6.png][]

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>分 类</td> 
   <td>范围</td> 
   <td>适用网络</td> 
   <td>网络数量</td> 
   <td>主机最大连接数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>A 类</td> 
   <td>0.0.0.0 ~<br> 127.255.255.255</td> 
   <td>大型网络</td> 
   <td>126</td> 
   <td>16777214<br> （$2^{24}$-2）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>B 类</td> 
   <td>128.0.0.0 ~<br> 191.255.255.255</td> 
   <td>中等规模网<br> 络</td> 
   <td>约16000<br> 个</td> 
   <td>65534（$2^{16}$-2）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>C 类</td> 
   <td>192.0.0.0 ~<br> 223.255.255.255</td> 
   <td>小型网络</td> 
   <td>-</td> 
   <td>254（$2^8$-2）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>D 类</td> 
   <td>224.0.0.0 ~<br> 239.255.255.255</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>E 类</td> 
   <td>240.0.0.0 ~<br> 247.255.255.255</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这种分配了解就好，已经不常用了！！！

### 2.2 子网掩码 ###

**格式**  
(1)子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度.

*  255.255.255.0 => **111111111111111111111111**00000000

*  255.252.0.0 => **11111111111111**000000000000000000

下图是一个经典的局域网环境：

###  ###

![11aa479dd47a4527b32ba4eb6666091e.png][]

图中两个相邻的局域网的网络号是不能相同的, 属于一个局域网中的设备网络号都是相同的但主机号是不同的, 通过这样网络号和主机号这样的划分就可以进行组网了

![33788e479533425ea23a56eac921bf17.png][]

一个路由器，有两个 ip 地址，分别是在不同的局域网中，一个路由器的作用就是把两个局域网连接起来~~

> 1.  WAN 口 ip
> 2.  LAN 口 ip

在上图中，此时这个路由器就把两个局域网连接到一起了，此时这两个局域网就称为“相邻"的局域网，这俩个局域网的网络号，是不能重复的！！！

但网络号的位数与主机号的位数并不是固定的, 在计算机网络, 有一个单独的概念叫做子网掩码, 它也是使用32比特位对应IP地址的每一位, 如果为1就表示这一位是网络号, 为0就表示主机号, 它是独立于IP地址的另一串数字来辅组记录的, 子网掩码不会混着排列, 左边为1表示网络号, 右边为0表示主机号.

对于家用设备来说, **子网掩码**最常见的就是`255.255.255.0`了, 即`11111111111111111111111100000000`, 表示IP地址中左边**`24`**位构成网络号, 右边**`8`**位构成主机号.

还有一些特殊的IP地址有着特殊的作用:

*  将IP地址中的主机地址全部设为**0**, 就成为了网络号, 代表这个局域网.
 *  将IP地址中的主机地址全部设为**1**, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包.
 *  127.\*的IP地址用于本机环回(loop back), 通常是127.0.0.1, 本机环回主要用于测试程序是否能正常工作, 是本机到本机的网络通信(系统内部为了性能, 不会走网络的方式传输), 对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言, 常见的开发方式都是本机到本机的网络通信.
 *  主机号为1, 即IP地址段的第一个, 比如192.168.0.1, 通常是"网关IP(不绝对, 是可以配置的).

**例子（投屏）：广播地址**

> 1.  手机投屏到电视机上
> 2.  手机和电视机都下载了投屏软件
> 3.  手机和电视机在同一个局域网内
> 4.  手机发起投屏，有一个自动查找电视机的过程，而这个过程就是，将广播地址发送了数据报，哪个设备有回应，就可能是你的电视机
> 5.  因此手机能获取电视机的IP地址

## 三、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, 需要先规划一条路出来, 然后数据沿着这条路进行传输, 传输到目标IP地址;

![3e52f3df1fea46bbbe0c48206c0666a5.png][]

在网络上，网络环境更复杂，没这么容易

*  **某个路由器，是无法把整个网络环境的模样记录下来的**
    
     *  路由器只能记录周围的情况（较小范围，认识邻居或者邻居的邻居）
 *  路由器内部使用，**路由表**这种数据结构来记录邻居的信息~

实际的转发过程，就类似于”问路“这样的过程，逐渐接近目标的

![10c946b20a2e46b6a5eb8166ba7a9bf0.gif][]

1.  **如果的“目的IP”在路由表里有，直接指明道路**
2.  **如果没有，它会根据路由表给你规划一条合理的走向目的IP的路**

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## 四、数据链路层——以太网 ##

数据链路层中使用的典型协议也有很多, 其中最知名常用的就是 "以太网"了, 考虑的是相邻两个节点(通过网线/光纤/无线直接相连的两个设备)之间的传输.

**以太网帧体格式如下:**

![cedf29f5680e493f9afb3fb1f5896e12.png][]

> 1.  源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；（出厂写死的）
> 2.  帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
> 3.  帧末尾是CRC校验码

**目的地址, 源地址(6字节)**: 数据链路层的地址是`MAC`地址, 表示物理层地址, 这个地址和IP地址是完全独立的另一套地址体系, 每一个设备只有一个物理层地址, 在网卡等硬件设备出厂时这个地址就已经写死了(大部分), 使用6个字节来表示, 地址长度比IPv4长了6w多倍

把这个数据链路层数据帧，最大载荷长度，称为 MTU.以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节.

**如果承载的数据，长度超过 MTU，就会在IP层进行分包~~使每个分出来的结果，都能在 MTU 之内~~**

![f3eb24c1f04143fc97b574beed7a0ad6.png][]

![b981f1feaa234f4682c04b90b65ab3b2.png][]

![f8cb40f79163428caddc6f54d84f2c48.png][]

### 4.1 ARP协议 ###

**ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议**

**ARP协议的作用：**

ARP协议建立了主机 ip地址 和 MAC地址 的映射关系

*  在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
 *  数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
 *  因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

## 五、DNS ##

**DNS，即Domain Name System**，域名系统。**DNS是一整套从域名映射到IP的系统。**

TCP/IP中使用IP地址来确定网络上的一台主机，但是IP地址不方便记忆，且不能表达地址组织信息，于是人们发明了域名，并通过域名系统来映射域名和IP地址

> 域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com
> 
>   
> 域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：  
> 1. 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了数量。  
> 2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。
> 
>  *  DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器。
>  *  浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。
>  *  Windows系统的DNS缓存在 C:\\Windows\\System32\\drivers\\etc\\hosts 文件中，
>  *  Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中

在早期的时候, 互联网上的服务器很少, 这域名和IP这样的映射关系只是使用一个**`hosts`**文件来维护, 每个用户只需要手动自己的hosts文件就可以了, 现在的电脑还是有这个文件的, 也可以使用.

![4a6afd80410f4b9bb0be9ca2db064f99.png][]

网络通信发送数据时，如果使用目的主机的域名，需要先通过域名解析查找到对应的IP地址，  
**如果电脑的DNS服务器配置不对, 或者是DNS服务器挂了, 就会出现一个典型的情况: 网络正常的情况下, QQ等应用程序可以用, 但是网页打不开了.**

我们自己电脑的DNS服务器可以通过如下方式配置,首先打开设置中 “网络和Internet” 中的 “高级网络设置” , 点击 “更多网络适配器器选项”.

![611361a66d904687939bcbf12b41af85.png][]

然后右击WLAN或者以太网, 选择属性.

![1dc0e56346c242789d7b735465950f62.png][]

然后选择IPv4的的字段就可以进行配置了.

![adfef99e29d74bfc9b8b47ce38c19b5c.png][]

这里可以自己去配置DNS服务器的地址, 常用地址百度一下就行, 很多的, 也可以选择自动获取(从路由器中获取).

[9d625a6f551e4a9cb9735a6ff45a2aed.gif]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/da5a13a6713c40eb8ef41796c7292f36.png
[xyk]: https://blog.csdn.net/asad21654864?spm=1000.2115.3001.5343
[JavaEE]: https://blog.csdn.net/asad21654864/category_12243955.html?spm=1001.2014.3001.5482
[Link 1]: https://so.csdn.net/so/search?q=%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%B1%82&spm=1001.2101.3001.7020
[cceead953cf5433f8e787c2e33f5c294.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/05b3948cd8c1439a9a46a808b8cb4b1b.png
[eb553277156842b694b3cf7d450d61b0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/865f9cb986f24098904dc6e41ff9bf86.png
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[f3eb24c1f04143fc97b574beed7a0ad6.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/26d1f5d7a2bf4c13933a71d698467e76.png
[b981f1feaa234f4682c04b90b65ab3b2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/4ef0644f16d74278a43aef27fafab9a5.png
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[1dc0e56346c242789d7b735465950f62.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/4580766da48d4216b0fcae4e4781dd13.png
[adfef99e29d74bfc9b8b47ce38c19b5c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/46c1da732dec446fb424f88602674dda.png