文章目录

  • 前言
  • 一、IP协议
  • 基本概念
  • 协议头格式
  • 网段划分
  • 特殊的IP地址
  • IP地址的数量限制
  • 私有IP地址和公网IP地址
  • 路由
  • 总结

前言

网络层的功能就是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径!!!

也就是让主机具有一种能力,将数据从A主机跨网络送到B主机的能力!

TCP/IP: 将数据从A主机跨网络(可靠的)送到B主机的能力!

正文开始!

一、IP协议

网络层协议-----IP协议_tcp/ip

基本概念

主机:配有IP地址,但是不进行路由控制的设备;

路由器:即配有IP地址,又能进行路由控制;

节点:主机和路由器的统称;

协议头格式

网络层协议-----IP协议_子网_02

  • 4位版本号(version):指定IP协议的版本,对于IPv4来说,就是4;
  • 4位头部长度(header length):IP头部的长度是多少个32bit,也就是length*4的字节数.4bit表示最大的数字是15,因此IP头部的最大长度是60字节(这里和TCP报头的首部长度相似);
  • 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,和一位保留字段(必须置为0).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位总长度(total length):IP数据报整体占多少个字节;
  • 8位生存时间(Time To Live,TTL):由于网络的Bug或者对端主机不可达等不可控因素的存在,导致IP报文在网络中长时间游离,而不消失;表示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还没有到达,那么就丢弃了.这个字段主要是用来防止出现路由循环;
  • 8位协议:表示上层协议的类型;
  • 16位头部校验和:使用CRC进行校验,来鉴别头部是否损坏.
  • 32位源地址和32位目标地址:表示发送端和接收端;
  • 选项字段(不定长,最多40字节):略;

网络层协议-----IP协议_网络协议_03

网络层协议-----IP协议_tcp/ip_04

如何分片和组装的问题?

网络层协议-----IP协议_网络协议_05

  • 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,但是以后可能要用到)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0,其他是1.类似于一个结束标记.
  • 13位分片偏移(framegaent 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报文中处在哪个位置.实际偏移的字节数就是这个值*8得到的.因此,除了最后一个报文之外,其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了).

分片对UDP和TCP有影响吗?

当然有影响,tcp有可靠性(影响不大),但是ip分片会直接影响UDP.

那么如何减少分片呢??

因为网络层是否分片,不是由网络层决定的!!!

由传输层决定!!!传输层传输报文时也会有自己的基本大小.—>一般在三次握手的时候,就会协商单词传输数据的报文大小!

那么传输层单个报文的大小一般设置为多少合适呢??

网段划分

IP地址分为两个部分,网络号和主机号.

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

网络层协议-----IP协议_网络_06

  • 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.
  • 如果在子网中新增一台主机,则这台主机的网络号和这个字网的网络号一致,但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复.

那么IP是如何找到对方的主机的呢?

  1. IP的构成 ip = 目的网络 + 目的主机
  2. 网段划分 : 曾经已经有角色已经将我们全球的IP进行过地址划分

IP在路由的时候,在路上的时候,先根据目的网络进行路由,找到目标网络之后,然后再根据目的主机的主机号进行数据转发!

通过合理设置主机号和网络号,就可以保证在相互连接的网络中,每台主机的IP地址都不相同.

那么问题来了,手动管理子网内的IP,是一个相当麻烦的事情.

  • 有一种技术叫做DHCP,能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址,避免了手动管理IP的不便.
  • 一般的路由器都带有DHC功能.因此路由器也可以看做一个DHCP服务器.

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<<TCP/IP>>)

网络层协议-----IP协议_tcp/ip_07

  • A类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
  • B类 128.0.0.0.0到191.255.255.255
  • C类 192.0.0.0到223.255.255.255
  • D类 224.0.0.0到239.255.255.255
  • E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址,导致B类地址很快就分配完了,而A类却浪费了大量地址;

  • 例如,申请一个B类地址,理论上一个子网内能允许6万5千多个主机.A类地址的子网内的主机数更多.
  • 然后世界网络架设中,不会存在一个子网内有这么多的情况.因此大量的IP地址都被浪费掉了.

针对这种情况提出了新的划分方案,称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

  • 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
  • 子网掩码也是一个32位的正整数.通常用一串"0"来结尾;
  • 将IP地址和子网掩码进行"按位与"操作,得到的结果就是网络号;
  • 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;

发送数据的本质:就是先要找到目标机器(目标网络 + 目标主机)

网络层协议-----IP协议_IP_08


可见IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号,主机号从全0到全1就是子网的地址范围;

IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68,子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0;

特殊的IP地址

  • 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地址用于本地环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1;

网络层协议-----IP协议_IP_09

IP地址的数量限制

我们知道,IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数.那么一共只有2的32次方个IP地址,大概是43亿左右.而TCP/IP协议规定,每个主机都需要有一个IP地址.

这意味着,一共只有43亿台主机能接入网络吗?
实际上,由于一些特殊的IP地址的存在,数量远不足43亿;另外IP地址并非是按照主机台数来配置的,而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址.

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够的问题(提高了利用率,减少了浪费,但是IP地址的绝对上限并没有增加),仍然不是很够用.这时候有三种方式来解决:

  • 动态分配IP地址:只给接入网络的设备分配IP地址.因此同一个MAC地址的设备,每次计入互联网中,得到的IP地址不一定是相同的;
  • NAT技术(稍等重点讲解);
  • IPv6:IPv6并不是IPv4的简单升级版.这是互不相干的协议,彼此并不兼容;IPv6用16个字节128来表示一个IP地址;但是目前IPv6还没有普及;

私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上.理论上,使用任意的IP地址都可以,但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址.

  • 10.*,前8位是网络号,一共16,777,216个地址
  • 172.16.搭配172.31.,前12位是网络号,一共1,048,576个地址
  • 192.168.*,前16位是网络号,一共65535个地址 包含在这个范围中的,都称为私有IP,其余的则称为全局IP(即公网IP);

网络层协议-----IP协议_网络协议_10


家用路由器:除了进行IP报文转发之外,还要进行构建子网!!!

  • 一个路由器可以配置两个IP地址,一个是WAN口ip,一个是LAN口IP(子网IP).
  • 路由器LAN口连接的主机,都从属于当前这个路由器的子网中.
  • 不同的路由器,子网IP其实都是一样的(通常是192.168.1.1).子网内的主机IP地址不能重复.但是子网之间的IP地址就可以重复了.
  • 每一个家用路由器,其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点.这样运营商路由器可能会有很多,最外层的运营商路由器,WAN口IP就是一个公网IP了.
  • 子网内的主机需要和外网进行通信时,路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP).这样逐级替换,最终数据包中的IP地址称为一个公网IP.这种技术称为NAT(Network Address Translation,网络地址转换).
  • 如果希望我们自己实现的服务器程序,能够在公网上被访问到,就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上,这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.

局域网中的数据,发送到公网,是需要不断替换源IP来完成的-----NAT技术

路由

在复杂的网络结构中,找出一条通往重点的线路.

网络层协议-----IP协议_网络协议_11


IP数据包的传输过程和问路一样.

  • 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服务器;
  • 一次反复,一直到达目的IP地址;

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里去呢?这个就依靠每个节点内部维护一个路由表;

网络层协议-----IP协议_网络协议_12

  • 路由表可以使用route命令查看;
  • 如果目的IP命中了路由表,就直接转发即可;
  • 路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其他行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址.

route命令查看路由表:

网络层协议-----IP协议_子网_13

总结

(本章完!)