深入浅出计算机网络：从 TCP 可靠传输到 DNS 解析核心原理

应用层相关协议

本文系统梳理计算机网络的核心原理，从应用层的数据交换格式与端口号，到传输层 TCP 的十大核心机制与状态机，再到网络层 IP 协议、路由选择、差错检测以及 DNS 解析。理解这些内容，是掌握 JavaEE 网络编程与排查线上网络问题的重要铺垫。

请求与响应数据格式

请求中通常带有请求头，例如客户端的位置、需求等信息。

响应中也会携带相应的状态与数据信息。

常见的数据交换格式如下。

XML

使用成对的标签来表示数据。

注意：HTML 并不是 XML 的子集（HTML 语法宽松，标签可不闭合）；只有 XHTML 才是 XML 的一种应用，二者不要混淆。

下面是一个 XML 示例。

XML 的可扩展性和可读性都很好。

缺点是传输效率较差，因为我们引入了大量标签信息来承载实际内容。

这种格式在早期较为常用，现在基本已被抛弃。

JSON

json 复制代码

{
    "userid": 1234,
    "position": "12E45N"
}

相比 XML，JSON 的标签体积大约减少了一半。

Google Protobuf

目前比较流行，但普及程度仍不如 JSON。

优点是采用二进制编码，压缩率高。

缺点是可读性差，毕竟本质上是二进制文件。

除了自定义协议之外，业界也有成熟的标准协议，例如 HTTP。

端口号

一个进程可以绑定多个端口号（本质上是 socket 绑定了端口号）。

一个端口号通常只能被一个 socket 绑定（特殊情况如 SO_REUSEADDR 等例外）。

传输层

UDP 单个数据报最大只能传输 64KB，因此我们经常需要手动分包、多次发送。

UDP 的不可靠主要体现在：它只负责把数据发出去，而不管对方是否真正收到。

UDP 主要适用于以下场景：

本身不容易丢包（既然 UDP 不关心是否丢包，那么在该场景下不丢包即可满足需求）。
对传输效率要求高。

校验和：类似于 MD5 检测。一般认为，两份数据校验和相同则大概率一致，校验和不同则一定存在问题。

最常见的校验算法是 CRC。

TCP 没有 UDP 这种 64KB 的上限，它依靠流式传输和分段机制，理论上可以传输任意大的数据。

TCP 核心机制

标志位	全称	核心作用	典型应用场景
URG	Urgent	标识紧急数据，要求优先处理	中断通信（如 Ctrl+C）、带外数据
ACK	Acknowledgment	确认号字段有效，用于确认数据	所有数据传输和连接管理阶段
PSH	Push	要求接收方立即将数据交付给应用层	交互式应用（如 Telnet）、实时数据
RST	Reset	重置连接，用于异常情况	连接拒绝、异常终止、SYN 攻击防护
SYN	Synchronize	同步序列号，用于建立连接	TCP 三次握手
FIN	Finish	发送方数据发送完毕，请求关闭连接	TCP 四次挥手

TCP 是面向字节流、全双工、可靠的、有连接的传输协议。

可靠传输

可靠传输并不意味着数据必然被送达，而是说：对方会给出应答，发送方由此知道数据是否送达。收到了应答就结束，没收到就再做处理。

1. 确认应答

确认应答是 TCP 实现可靠传输的核心机制。

但这种方式会出现"后发先至"的问题（解决方案是依靠编号来解决）。

由于 TCP 是面向字节流的，因此编号直接对字节进行编号（通过序号和确认序号实现）。

2. 超时重传

发送方等待一段时间以接收对方的 ACK，如果等不到就重发。这里存在一个问题：如果对方的 ACK 在回传给发送方的过程中丢包了，发送方同样会触发重传。

但重复重传显然有问题。

如何解决？我们先将数据放入缓冲区，应用程序读取时如果发现该数据的序号已被包含，则直接丢弃、不再向上交付。

如果一直无法连通，重传的间隔时间会不断变长，最终发送方会直接放弃连接。

超时重传与确认应答，是 TCP 实现可靠传输最核心的两大机制。

3. 连接管理（三次握手与四次挥手）

建立连接：三次握手（handshake）。

网络中的握手，就是发送一个不含实际数据的数据包。

第一次：携带 SYN（置 1 即表示同步报文），表示"我已保存了你的信息"。

然后对方返回一个 ACK，同时对方也发送一个同步报文，表示"你也保存了我的信息"（第二次）。

你再发送一个 ACK（第三次）。

这相当于"投石问路"，先试探一下能否成功建立连接。

在此过程中，双方都确认了对方能够发送和接收信号。

三次握手的目的不是保证可靠传输，而是验证双方是否具备进行可靠传输的条件。

同时，它还能确定从哪个序号开始传输。因为有可能你明明已经重新连接，但上一次连接中丢失的报文现在才送达，对端通过序号差距很大即可直接拒绝。

断开连接：四次挥手。

java 复制代码

 if(!scanner.hasNext()){
                    System.out.printf("[%s:%d] 客户端下线\n",socket.getInetAddress(),socket.getPort());
                    break;
                }

在我们的简单逻辑中，四次挥手可以合并为三次；但如果逻辑比较复杂，则必须拆分为四次。

具体解释：客户端发送 FIN 给服务器，表明"我没有数据要发了"。

服务器收到后回复 ACK，然后开始准备断开连接，之后再发送 FIN（这一步可能合并，也可能分两步）。

最后客户端发送 ACK 表示确认接收。

4. 滑动窗口

在普通的确认应答模式下，我们花费了大量时间在等待 ACK 上。

因此我们可以批量发送数据，从而避免频繁等待 ACK。

这就是滑动窗口，本质上属于"亡羊补牢"------在效率已经存在损失的前提下，尽可能减少损失。

那么窗口内的丢包如何处理？

ACK 丢失：不管它，因为后一个 ACK 能够覆盖前一个。
数据丢失：

为何要多次确认 1001？是为了防止这部分数据只是"卡住了"，而非"丢了"。

如果你发送数据的速度很慢，就不会构成滑动窗口。

5. 流量控制

流量控制用于保证可靠性：如果发送速度过快，接收方可能处理不过来，导致接收方不得不丢弃新到的数据。

接收方维护一个接收缓冲区，当数据积累到一定程度、缓冲区满了，新数据就会被丢弃。

因此，流量控制就是根据接收方的处理能力，反向控制发送方的发送速率。

接收方再通过 ACK 把剩余窗口大小带回去。

如果剩余窗口变为 0，发送方会周期性地发送一个不含数据的探测包，询问对方当前还有多少剩余空间。

注意：以上都属于"可靠性"范畴，而非"安全性"。

6. 拥塞控制

拥塞控制与流量控制类似，都是对滑动窗口作出限制。

流量控制依据的是接收方的处理能力。

拥塞控制依据的是整条通信路径的处理能力。

（也就是说，因为数据传输要依赖多个路由器转发，若中间某个路由器处理速度慢，数据就会堆积在那里。）

基本思路是"试探"：丢包了就减速，没丢包就加速。

即"面多加水，水多加面"。

具体做法是维护一个 int 变量来描述窗口大小。

实际发送窗口大小为：min(流量控制窗口, 拥塞窗口)。

最开始窗口很小，随后指数级增长。

当增长到超过某个设定阈值后，转为线性增长；一旦中途发生丢包，窗口就缩小。

7. 延时应答

延时应答的目的是在尽可能的情况下扩大窗口。

如果我们立即返回 ACK，应用层只处理了一点点数据，因此窗口较小。

如果我们不立即返回 ACK，应用层可能已处理了一部分数据，从而能通告更大的窗口。

8. 捎带应答

正常模式是一问一答。

我先询问，对方确认收到；对方再应答，我确认收到。

但配合延时应答，对方可以直接把"应答"和"确认收到"合并发送给我。

这也是四次挥手能够变成三次挥手的原因。

9. 面向字节流与粘包问题

这是"粘包问题"的来源之一。

先解释一下粘包：

假设我发了两个包，一个是 a，另一个是 b。

我希望对方先接收 a、再接收 b，但两个包都进入了缓冲区。

结果对方一次性全部读取，变成了 a+b。

下面是拆包：

也有可能是我发的是 a+b，但接收方读取较快，变成了先 a 后 b。

TCP 不关心你应用层的数据包是如何划分的，因为包与包之间没有明确的界限，必须在应用层自行处理。

10. 异常情况处理

1. 进程崩溃

无论以何种方式退出，操作系统都会自动进行清理和资源回收。

2. 主机正常关机

如果关机速度正常，四次挥手能够跑完。

若关机速度太快，四次挥手无法跑完：

服务器最后发出 FIN，你这边没有回应。
服务器开始重传。
最终服务端删除此前保留的你的相关信息。
一切恢复正常。

3. 主机掉电/关机

程序完全无法进行挥手操作。

接收方关机：
- 无法给发送方传 ACK。
- 发送方重传。
- 发送方一直收不到 ACK。
- 发送方放弃连接，发送复位报文（RST）。
发送方关机：
- 接收方傻眼了：发方是挂了，还是只是休息一会？
- 接收方会不时发一个空包（心跳包），即询问"你在不在"，目的是触发对方的 ACK 回传。
- 如果发方已挂，接收方主动断开连接。

当然，我们一般会重写心跳包，因为 TCP 自带的心跳要几十毫秒才会断开。

4. 网线断开

这种情况与主机掉电关机类似。

TCP 状态

LISTEN

服务器监听状态，等待客户端连接。

ESTABLISHED

连接已成功建立，可以开始收发数据。

CLOSE_WAIT

一方收到 FIN 后即进入该状态，等待调用 close 方法；调用后发出 FIN，从而跳出该状态。

如果该状态长期存在，通常说明代码存在 Bug（未正确关闭连接）。

TIME_WAIT

主动断开连接的一方会进入该状态，作用是等待一段时间，以处理最后一个 ACK 丢包的特殊情况。

如果该状态很多，说明大多数连接是由服务器主动断开的。

TCP 完整状态机（11 种状态 + CLOSED）

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主动打开（客户端发 SYN）
收到 SYN，回 SYN+ACK
收到 SYN+ACK，回 ACK
收到 ACK
主动关闭，发 FIN
收到 FIN（被动关闭）
收到 ACK
收到 FIN，回 ACK
收到 FIN，回 ACK
发 FIN
收到 ACK
等待 2MSL
CLOSED
LISTEN
SYN_SENT
SYN_RCVD
ESTABLISHED
FIN_WAIT_1
CLOSE_WAIT
FIN_WAIT_2
TIME_WAIT
LAST_ACK

三次握手（建立连接）

服务器客户端服务器客户端 #mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK p{margin:0;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .labelText,#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .loopText,#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .noteText,#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK .actor-man circle,#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-JSFTbZiuoMZbs8pK :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} CLOSED → LISTEN SYN_SENT SYN_RCVD ESTABLISHED（连接建立） SYN（seq=x）SYN + ACK（seq=y, ack=x+1）ACK（ack=y+1）

四次挥手（断开连接）

服务器（被动关闭）客户端（主动关闭）服务器（被动关闭）客户端（主动关闭） #mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}@keyframes edge-animation-frame{from{stroke-dashoffset:0;}}@keyframes dash{to{stroke-dashoffset:0;}}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-animation-slow{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 50s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-animation-fast{stroke-dasharray:9,5!important;stroke-dashoffset:900;animation:dash 20s linear infinite;stroke-linecap:round;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-thickness-normal{stroke-width:1px;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-thickness-invisible{stroke-width:0;fill:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 p{margin:0;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actor{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 text.actor>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actor-line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .innerArc{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .messageLine0{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:none;stroke:#333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .messageLine1{stroke-width:1.5;stroke-dasharray:2,2;stroke:#333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 #arrowhead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .sequenceNumber{fill:white;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 #sequencenumber{fill:#333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 #crosshead path{fill:#333;stroke:#333;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .messageText{fill:#333;stroke:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .labelBox{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .labelText,#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .labelText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .loopText,#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .loopText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .loopLine{stroke-width:2px;stroke-dasharray:2,2;stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .note{stroke:#aaaa33;fill:#fff5ad;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .noteText,#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .noteText>tspan{fill:black;stroke:none;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .activation0{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .activation1{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .activation2{fill:#f4f4f4;stroke:#666;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actorPopupMenu{position:absolute;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actorPopupMenuPanel{position:absolute;fill:#ECECFF;box-shadow:0px 8px 16px 0px rgba(0,0,0,0.2);filter:drop-shadow(3px 5px 2px rgb(0 0 0 / 0.4));}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actor-man line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 .actor-man circle,#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 line{stroke:hsl(259.6261682243, 59.7765363128%, 87.9019607843%);fill:#ECECFF;stroke-width:2px;}#mermaid-svg-TRmyxt1hIAuoJYL0 :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} FIN_WAIT_1 FIN_WAIT_2 CLOSE_WAIT LAST_ACK TIME_WAIT（等 2MSL） → CLOSED → CLOSED FIN（seq=u）ACK（ack=u+1）FIN（seq=v）ACK（ack=v+1）

为什么 TIME_WAIT 要等 2MSL：确保最后一个 ACK 能到达对方（丢了对方会重发 FIN），同时让本次连接残留的旧报文在网络中消散，避免影响新连接。

为什么握手 3 次、挥手 4 次：握手时服务器的 SYN+ACK 可以合并成一个包；挥手时被动方收到 FIN 后，可能还有数据要发，所以 ACK 和 FIN 要分两次发（中间夹着 CLOSE_WAIT 阶段）。

UDP

一般情况下都使用 TCP；选择 UDP 主要是为了处理那些丢包概率不高、但对性能要求很高的场景。

网络层

IP 协议

四位版本号

只有两个取值：4 和 6。

八位服务类型

其中只有 4 位有用，且相互互斥。

16 位总长度

依据该字段，可以进行 IP 分片与重组。

16 位标识

用于标识哪些分片可以组合在一起。

3 位标志

用于控制分片行为。

八位生存时间（TTL）

表示该 IP 数据包还能在网络上传输多久。例如，如果你写错了目标地址，数据包就应当被丢弃。

每经过一个路由器转发一次，该值减 1；减到 0 时被丢弃。

IP 地址短缺与 NAT

核心问题在于 IP 地址数量太多，IPv4 设计时只有约 42 亿个，但使用者众，因此需要解决地址不足的问题。

动态分配：需要上网时才分配地址。这只能缓解问题，无法从根本上解决。
内网 IP / 私网 IP（NAT，网络地址转换）：

在不同的局域网中，IP 地址可以相同。

同一局域网内的两个设备互访：直接根据 IP 区分。
两个带有外网 IP 的设备互访：外网 IP 全局唯一，与 NAT 无关。
两个不同局域网中的设备，以及外网 IP 访问内网 IP：不允许直接访问。
内网访问外网：可以访问，但需先执行地址转换。

例子：内网源 IP 为 192.168.xx.xx，路由器公网 IP 为 1.1.1.1。

数据包发出去后，源 IP 被替换为路由器的公网 IP 1.1.1.1（并在 NAT 表中记录映射关系）。

（可以类比学号：只有学号只能在学校内部标识身份；出了学校，你就得用"学号 + 学校"来唯一标识。）

这里被替换的，正是内网源 IP。

在情形 3 和 4 中，虽然网络层不允许直接互访，但我们可以通过应用层来解决。

在情形 3 中：我们架设一个公网 IP，让 A、B 同时连接到该公网 IP，借助它来互相通信。

IPv4 占 4 个字节（2^32）。

IPv6 占 16 个字节（128 位），地址空间为 2^128。

虽然 IPv6 的提出早于 NAT，但它至今仍不主流，原因是它不支持与 IPv4 直接兼容互通。

IP 地址

IP 地址由两部分组成：主机号和网络号。

在同一局域网内，网络号必须相同，主机号必须不同。

在不同局域网内，网络号必须不同。

主机号：局域网内主机的标识。
网络号：将 IP 地址中的主机位全部置 0，即得到网络号，该地址不能被具体设备使用。

将 IP 地址的主机位全部置 1（二进制全 1），就构成了广播地址。

网络层的广播主要应用于手机投屏等场景。

127.* 常用于本机环回测试，通常为 127.0.0.1。

路由选择

路由器只能选择较优解，而不一定是全局最优解。

如果路由器知道目标在哪，就给出具体路线；否则只给出一个方向。

之所以能这样转发，是因为每个路由器都掌握着一些"线索"，通过维护一张路由表来实现。

目的 IP（网络号）
网络接口（数据从 LAN 口还是 WAN 口出去）

如果没有任何精确路径可走，就走默认路径（即只指明方向，通常是指向上一级路由器）。

例如：我家 → 市 → 省 → 国家 → 世界。

实际场景如查询郑州市：我家 → 洛阳市 → 河南省 → 郑州市。

以太网封装如下：

源地址和目的地址在整个过程中都不改变。

在任意转发阶段，IP 包头里的目的地址始终是郑州市，源 IP 始终是我家。

而以太网报头则是逐段变化的：

我家 → 洛阳市
洛阳市 → 河南省
河南省 → 郑州市

CRC 校验和（差错检测）

用于对数据起到校验作用，检测传输过程中是否发生差错。

DNS：应用层的重要协议

最早期使用的是一个文本文件 hosts。

这种方式维护不便：一旦发生改变，你还得分手动去修改吗？

因此现在有了 DNS 服务器，我们每次访问域名时都先去解析一下。

那么 DNS 服务器的并发量就特别高。

如何防止它宕机？

本机会做缓存，短期内再次访问同一域名无需再请求 DNS。
DNS 本质上是分布式系统，由大量 DNS 服务器组成，一台挂了可以切换到另一台。

小结

本文从下到上梳理了计算机网络的核心原理：

应用层：以 XML、JSON、Protobuf 三种数据格式完成请求/响应交换；通过端口号区分进程，一个进程可绑定多端口，一个端口通常只属于一个 socket；DNS 借助本地缓存与分布式架构解决高并发解析。
传输层：UDP 简单高效但有 64KB 上限且不保证可靠；TCP 通过确认应答、超时重传、连接管理（三次握手/四次挥手）、滑动窗口、流量控制、拥塞控制、延时应答、捎带应答等十大机制实现可靠传输，并定义了 LISTEN、ESTABLISHED、CLOSE_WAIT、TIME_WAIT 等状态。
网络层：IP 协议通过版本号、TTL、分片字段等描述数据包，借助 NAT 缓解地址短缺；IP 地址由网络号与主机号构成；路由选择基于路由表给出较优路径；CRC 校验负责差错检测。

掌握这些基础，能为后续 JavaEE 网络编程与故障排查打下坚实根基。