前言

一个人最大的痛苦来源于对自己无能的愤怒

Hi，这里是不想秃头的宝贝儿！

本文主要介绍【网络层】，其中最关键的就是【IP协议】。（同样，重点内容重点标出）

【回顾】
TCP特性：
确认应答、超时重传、连接管理——保证【可靠性】
滑动窗口——保证【效率】
流量控制、拥塞控制——保证【可靠性】，是对滑动窗口的制约/加持
延时应答、捎带应答——保证【效率】
面向字节流的粘包问题——注意事项
异常情况——可靠性的延伸
【面试题】：TCP如何实现可靠传输？

一、网络层简述

网络层的工作就是在两点之间规划出一个合理的路径，同时也需要对主机的位置进行定义。
所以，网络层的工作其实是：地址管理 + 路由选择
网络层最主要的协议就是IP协议。

【IP协议】

（针对IP协议只了解一些简单的原理就行）

IP协议报头：（指IPv4）

① 4位版本：目前取值只有两个：4/6，也就是IPv4和IPv6.（以下出现的IP协议如不做特殊说明则都是指IPv4）
② 4位首部长度：和TCP类似，首部是变长的，报头中也带有选项。
③ 8位服务类型（TOS）：说是8位，但是其实只有4位是有效的。这4位表达了当前IP协议不同的“工作模式”，并且这四位中只能有一位是1，不能同时出现多个1。

4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四位互相冲突，只能一位有效。
（这里的几种状态，在实际开发中很少使用）

④ 16位总长度（字节数）：描述了IP数据包的报文长度是多少。（IP总长度-IP报头长度=TCP报文长度）

16位的最大长度是64kb，那么一个数据报最大只能是64kb吗？
其实并非如此，可以通过IP协议传输很长的TCP数据报：因为IP协议自带了分包分组的机制。

⑤ 16位标识：同组的包就会有相同的标识。
⑥ 3位标志：主要是两位在起作用，1位用来表示当前分没分包，1位用来表示当前这个包是不是最后一个

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，这时候如果报文长度超过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。

⑦ 13位片偏移：用来区分包的前后顺序。（前面的包片偏移比较小，后面的包片偏移比较大）
⑧ 8位生存时间（TTL）：网络上可能会有很多的数据报在传输，有的数据报可以顺利发到对面，而有的数据报却是永远也发不过去的（如：收件人地址写错了）

① TTL的单位是“次数”，是一个整数。一般是一个类似于32/64/128这样子的整数。
② 数据报传输时，每经过一个路由器转发，TTL就-1。如果TTL减小到0了，此时就把包丢弃（不再继续转发）。因为预期正常情况下，数据报是可以在很短的次数内就传输到世界上的任何一个主机上的。（可以通过ping来查看TTL，此时TTL就是剩余的路由器转发次数）

为啥转发这几次就能够达到？
基于一个社会科学上的假设：六度空间理论【朋友关系网】

⑨ 8位协议：表示上层协议的类型
即：IP载荷中数据报使用的传输层协议，接收方收到IP数据报后进行分用，分用到网络层的时候，接下来要向上把数据交给传输层，把数据给传输层的哪个协议来解析是通过8位协议来区分的。

⑩ 32位源IP和32位目的IP地址【最关键】：其实就是发件人地址和收件人地址。

① IP地址本质上是32位的整数，也就是4个字节，类似于一个int。
② 通常会把32位整数转为“点分十进制”的表示方式。每个部分就是一个字节，每个部分的取值范围就是0~255.
③ 【IP地址用来区分网络上唯一的一台主机。】

一个IP地址是4个字节，也就是32个比特位，所能表示的最大范围不到43亿个不同的主机，而目前能够上网的设备早已经超过了这个数值，此时IP地址就不太够用了。

2.（ IP地址不够用）解决方案：
1）动态分配 IP地址：设备上网时才分配IP地址，不上网的时候就把IP回收给别人用。这种方案并没有增加IP地址的数量，只是提高了利用率而已，治标不治本。
2）NAT机制【主流机制】
不再强制要求每个主机都有独立的IP，把IP地址分为两大类：
① 外网IP/公网IP
② 内网IP/私网IP/局域网IP：约定10.* ， 172.16-172.31.* ， 192.168.* 都是内网IP

约定：在同一个局域网内部，IP不能重复；但是在不同的局域网内部，IP之间是允许重复的。
如果在局域网内部想要访问某个外网的服务器，就会使用一个外网IP来代替一大波局域网中的设备，这样就大大节省了外网IP的个数了

注：路由器一般有LAN口和WAN口，功能是把两个局域网连接起来
（路由器本身也是一个NAT设备，NAT是网络地址转换）
每次经过一个NAT设备进行转发的时候，就会把源IP替换（目的IP不变）。路由器会记录下替换关系，等原路返回时同样替换IP就行。

当前网络环境的现状：NAT+动态地址分配，可以通过NAT访问外网，但是局域网之间无法访问设备（因为NAT中我的IP只能在该局域网内使用）
（如果你想在内网中访问另一个内网中的设备：内网穿透 or VLAN）

3）IPV6：彻底解决IP地址不够用问题的方案。
IPV4：4个字节，32位来表示IP地址，能够表示的不同主机42亿多
IPV6：16个字节，128位来表示IP地址，所能够表示的主机数量并不仅是IPV4 的4倍，其能够表示的主机数量是42亿42亿42亿*42亿

IPV6已经提出很多年了，但是当前网络的现状仍然是NAT+动态分配，为啥IPV6没有大规模普及呢？
因为IPV6和IPV4不兼容。如果想要从IPV4路由器升级到IPV6路由器就要花钱！

但是在国内普及还是相当好的，目前70%的家用宽带已经能够支持IPV6了，只是默认处于未开启状态而已；当前看到的各种常见的应用程序也都支持IPV6了，但是由于家里的网络没有开启IPV6，所以仍然是按照IPV4的方式来访问的
IPV4 IP地址的分配权在美国人手里，而IPV6地址太多了没有被垄断

关于IP地址具体的规则：（IPV4）
IP地址分为两个部分：网络号和主机号
① 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段（网段：网络号，局域网的身份标识）具有不同的标识；（网段具有不同标识便是不同局域网，用网络号来表示局域网）
② 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；（表示不同主机）

【同一个局域网中，主机之间的网络号是相同的，但是主机号必须不同。】
在相邻的局域网中（同一个路由器（WAN口和LAN口有不同的网络号）连接的局域网），要求网络号是不同的

如何划分网络号和端口号？
子网掩码可以划分从哪里到哪里是一个网络号。
子网掩码有32位，左半边都是1，右半边都是0（不会0/1混合）
子网掩码左半边有多少个1就表示IP地址左侧有多少位的网络号。

（把子网掩码与IP地址按位与运算得到的结果就是网络号）
（路由器就是把WAN口对应的局域网和LAN口对应的局域网给连起来了）

IP地址分配（教科书版本）
但是该种分配方式比较浪费，逐渐消失在历史长河中。
特殊的IP地址：
① 如果一个IP地址主机号为0，此时这个IP地址就表示网络号。如:192.168.0.0就代表当前的局域网
② 如果一个IP地址的主机号为1，此时这个IP往往就表示整个局域网的“网关”。如：192.168.0.1代表的就是局域网的网关（通常就是路由器的IP）【但是网关不是强制要求主机号为1的，可以手动改】

网关：就类似于出入口，网关的角色一般就是路由器，把守着当前局域网和其他局域网之间的出入口

③ 如果一个IP地址的主机号全为1，此时这个IP表示广播IP。（一般UDP可以，TCP不行）
④ 127.*都是环回IP，最典型的就是127.0.0.1.但是实际上只要是127开头的都是环回IP。

路由选择：就像地图导航一样，能够在两点之间规划出一个路线；这是一个**“启发式”**的过程，非常类似于“问路”。
IP数据报中包含了目的IP。网络数据报到达路由器的时候，路由器本身有一个“路由表”数据结构（路由表就是这个路由器认识的路）。一个路由器无法认识到网络的全貌，但是可以认识附近的一部分。

① 如果当前的目的IP路由器认识，就会给出一个明确的路线
②如果当前的目的IP路由器不认识，路由器就会把数据报转发给一个更加“见多识广”的路由器（在路由表里有一个默认选项，即：下一跳）

是否会出现问了一圈之后也没找到目的地？
也是有可能的，比如IP地址不存在（或者IP地址不可达），此时就需要通过TTL