计算机网络---网络层

Posted 2021-08-21 Moua

在TCP/IP四层模型中，网络层属于第二层。网络层的主要作用就是负责数据的跨网络传输，网络层最主要的协议是IP协议，一个重要的设备就是路由器负责数据的转发和路由的选择。

1、IP概述

如下图，主机A、B、C、D之间通过多个路由器连接。主机B要将数据跨网络发送给主机C，首先需要知道主机B的IP地址（源IP地址）和主机C的IP地址（目的IP地址），再将数据发送个路由器F，路由器F根据源IP和目的IP选择合适的路径将数据转发出去，最终到达主机C。

通过上面的例子，可以发现网络层数据的跨网络传输离不开IP地址。IP地址可以标识一台主机，路由器通过IP地址选择路径将数据从源主机发送到目标主机，路由器能够争取的根据IP地址将数据转发IP地址就必须具有唯一性，即在网络中IP地址必须能够唯一标识一台主机。

路由器：路由器是网络层的重要设备，路由器连接了两个或两个以上的网络，路由器通过IP地址选择数据的传输路径并将数据转发到下一个网络中，在实现数据的跨网络传输中起到重要的作用。同时，路由器还有分割冲突域的作用（了解）。

2、IP协议报头格式

通过IP进行通信时，需要在数据前面加上IP首部信息（如下图）。IP首部中包含着用于IP协议进行发包控制时所有的必要信息。

 IP协议报头格式如下：

• 版本：4位，表示标识IP首部的版本号（IPV4的版本号为4）。
• 首部长度：4位，表示IP首部的长度，单位是4字节（1行的长度）。IP首部最大长度为(2^4-1)*4 = 60字节。
•  区分服务：8位，表明服务质量（很少用）。
• 总长度：16位，IP数据报的总长度，包含报头长度。IP数据报的最大长度为(2^16-1) = 65535字节。
• 标识：16位，与IP数据报的分片有关。
• 标志位：3位，与IP数据报的分片有关。从左到右，第一位保留（填0），第二位标识是否进行分片（0表示分片，1表示不分片），第三位表示是否为最后一个分片（0表示是最后一个分片，1表示不是）。
• 片偏移：13位，与IP数据报分片有关，表示的是某一分片相对于第一个分片的偏移的字节数，第一个片的偏移为0，用来目的主机收到数据后对数据的重组。
• 生存时间：8位，数据在网络中的存留时间，每经过一个路由器数据的生存时间就会-1，当生存时间为0时会直接将该数据丢弃。
• 协议：8位，表示IP包的上层传输层的协议编号。
• 首部校验和：16位，校验IP数据报的首部，确保IP数据报不被破坏。
• 源地址：32位，数据发送端的IP地址。
• 目标地址：32位，数据接收端的IP地址。
• 可选项：长度可变，通常只在实验或者检测时使用。

3、IP数据报分片

 受数据链路层MTU的影响，网络层IP数据报在传输时不得不切分成符合数据链层MTU大小的数据进行发送。

在IP数据报协议的头部，有一个16位的标识字段，同一个IP数据报经过分片得到的众多小的UIP数据报它们的16位标识是相同的。路由器收到数据后，根据16位标识确定这些分片是同一个数据报，在一同转发给目标主机。

同时，在IP数据报的头部还有13位的片偏移，标识的是分片后的数据报相对于第一个数据报的偏移字节数，第一个分片的偏移量为0.目标主机接收到所有分片后，可以根据片偏移的大小对数据报重新组合，得到完整的数据报，在发交给目标主机的传输层处理。

 

4、网段划分

IP地址由32个比特位构成的，每个字节使用.分割的标识网络内唯一一台主机的地址，IP地址可以分为网络号和主机号两部分。

网络号：唯一标识某一网段。

主机号：唯一标识同一网段内的一台主机。

 同一网段内的IP地址的网络号是相同的，如果该网段中新添加一台主机，只需要在该网段内为该主机分配一个未被使用的主机号即可。

为了方便IP地址的管理，把所有的IP地址分为如下五类：

缺陷：通过分类可以看出，ABC类网络的最多主机个数分别为2^24 2^16 2^8个，对于A类网络IP数量非常大，使用场景较少，大多数高校、企业都会选择B类网络。这就导致，A类网络中的IP地址被浪费，大量使用B类网络导致B类网络不足的问题。

 针对这种情况，提出了一种新的方案：

• 引入一个子网掩码来区分网络号和主机号
• 将IP地址与子网掩码按位与得到的就是网络号
• 对于一个网络号占24位的IP地址来说，子网掩码为255.255.255.0
• 网络号和主机号的划分与IP地址属于ABC类中的哪一类无关。

5、特殊IP地址

在网络中，除了可以分配给主机的IP地址外，还将一些IP地址设置为特殊用途的IP地址，特殊的IP地址不能分配给主机使用。

局域网：主机号为0，就表示这个局域网。

广播地址：主机号为全1的地址

本机回环：127.0.0.1

6、IP地址不足问题

 我们所说的IP地址，通常指的是IPV4地址，IPV4地址用32个比特位表示，理论上所能够表示的主机个数为2^32个，除去一些特殊的IPIPV4所能使用的IP地址是远不足2^32个的。在现在的网络中，这些IP地址是远远不够的。

解决IP地址不足问题的三种方案：

• 给接入网络的主机动态分配IP地址，减少IP的使用。
• NAT技术（公网IP和私网IP的转化）
• IPV6，使用16字节128位来表示IP地址，IPV4和IPV6并不兼容，至今并未普及。

7、公网IP和私网IP

公网IP：简单理解公网IP就是指接入到网络中的IP地址，具有全网唯一性。

私网IP：局域网中的IP地址，在所在网段内具有唯一性。（在某一范围内有效）

同一网段内的通信，使用私网IP即可，而跨网段的通信需要使用公网IP。私网IP在网段内唯一，在网段之间可以是重复的，这样能缓解IP不足问题。

8、IP地址和路由控制

 网络层的主要作用就是将负责数据的跨网路传输，其中重要的设备就是路由器，那么路由器是如何将数据跨网络传输的呢？

如下图，将数据从IP地址为10.1.1.30的主机发送到10.1.2.10的主机，首先要将数据发送到路由器1.路由器中保存着一张路由表，路由表中存储的是路径信息（从该路由器能够到达的下一个路由器的IP地址）。路由器1收到数据后，查询路由表将数据转发给路由器3，路由器3在根据目的IP地址将数据转发给该网段下的主机B。 

9、NAT技术

NAT技术是解决IPV4地址不足的重要手段，也是路由器的一个重要功能。

NAT技术能够将私网IP在通信时转换为公网IP。

NAT技术原理：

• 客户端A通过私有IP将数据发送到服务器端
• 首先，客户端需要将包含目的IP的数据发送给路由器，在由路由器进行转发。
• 路由器接收到数据后，会将私有IP转化成公网IP再将数据转发出去，通过公网IP进行数据的发送。