网络层IP协议

Posted 2021-11-05 两片空白

目录

前言

一.基本概念 

二.IP协议报头

三.网络划分

        3.1 IP组成

        3.2 IP地址分类

         3.3 特殊IP地址

        3.4 IP地址数量限制

        3.5 私网IP地址和公网IP地址

        3.7 路由

---

前言

        应用层http协议是进行构建和解析请求request和响应response。

        传输层的TCP/UDP协议是不提供数据的运输。传输层是为数据传输指定规则。但是，UDP协议并不保证数据传输的可靠性。TCP协议制定了确认应答机制，超时重传机制，连接管理机制，拥塞控制等保证了数据的可靠性，制定了捎带应答，延时应答，快重传机制等保证了数据传输的效率。

        实际有数据传输能力的是网络层IP协议，提供了将数据从主机A跨网络送到主机B的能力。

一.基本概念 

        在网络层，有一个很重要的设备路由器，路由器可以连接两个局域网，具有数据在网络中路由的功能。

        路由器也相当于是局域网里的一台主机，含有网络层及其以下层，但是现在的路由器很强大，已经拥有了应用层及其以下层。

        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。

        结点：主机和路由器的统称。

二.IP协议报头

•  4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4，就是4。
• 4位首部长度：IP头部的长度是以32bit(4字节)作为基本单位，也就是报头字节数等于4位首部长度乘4字节。最小报头长度等于20字节，4个比特位表示的最大数字是15，所以最长报头长度等于60字节，多余部分是选项。
• 8位服务类型：3位优先权字段(已经弃用)，4位TOS字段和1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。这四者互相冲突，只能选一个，具体选哪个，决定于应用层协议。
• 16为总长度：IP数据报整体占多少字节。包括了数据和报头。
• 16位标识(id)：唯一标识主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一片里面的这个id相同。
• 3位标志：第一位保留(现在不用)，第二位如果置为1，表示禁止分片，这个时候，如果来了一个超过MTU的数据，IP模块会丢弃报文，置为0表示可以分片。第三位表示"更多分片"，如果分片了，如果该分片后面还有分片，当前位置为1，如果后面没有分片或者没有分片，当前位为0。意思就是分片了置为1，没有分片或者是数据分片的结尾置为0。
• 13位偏移量：表示当前分片在原报文的哪个位置。实际偏移字节数等于当前值乘8，因此除最后一个报文外，其它报文的长度必须是8的整数倍。

分片概念：

分片就是将传输层发现来的数据，分成几段，再发送下去。

为什么要分片？

        在下一次链路层，对发送来的数据由长度的限制。这个值是MTU(链路层能接收有效载荷的最大长度)。当IP层数据超过MTU时，如果可以分片，就需要将数据分片后发送给链路层。

注意：分片对传输层时透明的，传输层并不知道分片了。只有网络层知道分片了。

所以在接收端的网络层IP协议还需要对分片数据进行组装。

接收端接收到的数可能会有没有分片的数据，不同组数据，分片的数据。组装首先需要将分片的没有分片的数据分开，再将同一组数据组装。

IP报头的3位标志的第三位标识了拿下报文的分片的，那些报文不是分片的，还标识了同一组数据分片的结尾(16位标识相同)，13位偏移量不为0，并且3位标识第3位为0。

16位标识(id)，标识了是否时同一组数据的分片。

13位偏移量：标识了当前分片在数据的哪个位置，更好组装。

判定是否分片：3位标识的第三位为1(针对分片第一个偏移量为0) 或者  13位偏移量不为0(针对分片结尾3位标识为0)

发送端IP协议如何组装？

        将偏移量排序，去报头，拼接即可。

是否能识别分片丢失情况？

        当前13位偏移量值加上报文长度(IP报头中有16位总长度)，就是下一个偏移量值。如果排序后，后面的偏移量的值不同，就说明后面分片丢失了。

        如果有一个分片丢失了，传输层TCP就不能收到数据，传输层是保证可靠性的，没收到整个数据，会让发送方重发整个数据，而不是某个分片。

• 8位生存时间(TIME TO LIVE，TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数，也就是经过的路由器数。一般是64。每次经过一个路由，TTL减1，一般减到0还没到达，那么就丢失了，这个字段是防止出现路由循环。
• 8位协议：标识上层协议类型。传输给上层哪个协议。
• 16位头部校验和：使用CRC校验，来检验报头是否损坏，只需要检验头部，数据在TCP层检验了。
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：标识接收端主机和发送端主机。
• 选项：选项最多40字节，报头超过20字节部分。

解决报头和数据分离问题：4位首部长度和16位中长度。

解决向上传输给哪个协议：8位协议。

三.网络划分

        3.1 IP组成

路由查找目标主机过程：路由查找是先找到目标网络，在找到目标主机。

IP地址分为两个部分：网络号和主机号

1. 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
2. 主机号：在同一网段内，主机具有相同的网络号，但是具有不同的主机号。标识相同网段里的不同主机。

• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机连接到了一起。
• 如果在子网中新增一台主机，这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不同和子网中的其它主机重复。

由上可知，在子网中新增一台主机需要为其分配对应且正确的IP，去除一台主机的话，需要回收IP。但是手动管理子网IP很麻烦。

• 有一种技术DHCP，能够自动的给子网内新增主机结点分配IP地址，避免了手动管理的不便。
• 一般现在的路由器都带有DHCP功能，因此路由器可以看作一个DHCP服务器。

        3.2 IP地址分类

过去提出一个划分网络号和主机号的方案，将IP地址分成5类，通过不同的类别来划分主机号和网络号。

 上面是按照二进制位数1~5位是否为0划分IP地址，划成点分十进制的范围是：

 A，B，C类越往下网络号表示越来越多，主机号表示越来越少。随着互联网的发展，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类很快就用完了。

针对上面的情况，提出了一个新的方案，称为CIDR。只与子网掩码有关，通过子网掩码要区分网络号和主机号。

• 引入一个子网掩码来区分网络号和主机号。
• 子网掩码也是32位正整数，通常用一串0结尾。
• 将IP地址和子网掩码进行按位与，得到的结果就是网络号。
• 这样划分就不需要这个IP地址局限于上面的哪一个类了，与A，B，C类无关，至于子网掩码有关。

举个例子：

         我们知道点分十进制，一个点前面是8位。上面例子用最后8位来表示主机号，所以可以表示主机号个数位255个。用前24位表示网络号。

         3.3 特殊IP地址

• 将IP地址中的主机号全部设为0，就成了网路号，代表整个局域网。
• 将IP地址全部设为1，就成了广播地址，给同一局域网的所有主机发送数据。
• 127.0.0.1是本地环回测试，不发送到网络中。

        3.4 IP地址数量限制

IPv4协议的IP地址是32位的，那么只有2^32次方个IP地址，而TCP/IP协议规定，每一个主机都需要一个IP地址，这就意味着，一共只能由2^32次方台主机连入网络。

但是由于一些特殊网络的存在，并且IP地址并非是按照主机台数配置，而是每一个网卡都需要配置一个或者多个IP地址。，所以实际可以使用的IP地址远少于2^32次方。

CIDR虽然一定程度上提高了IP地址位数利用率，但是IP地址总数没变，仍然可能不够用。这时有三种解决方式：

• 动态分配IP地址，只给接入网络的设备分配IP地址，比如：一台主机接入了网络分配一个IP地址，断开网络是IP地址被回收。因此同一个MAC地址设备，每次接入网络IP地址不一定相同，被其它接入网络的主机分配。
• NAT技术
• IPv6：IPv6的位数用16字节，128位表示一个IP地址，IP地址总数更多了。但是IPv6并不是IPv4的升级版本，两者不兼容，目前IPv6并没有普及。

        3.5 私网IP地址和公网IP地址

        首先介绍一个运营商的概念：

        运营商为我们建设了网络通信的基础设施。当我们在进行通信的时候，都需要经过运营商为我们建立的基础设施。

        我们知道IPv4的IP地址个数是一个确定的数，某些组织有将所有的IP地址分成了两大类，私网IP地址和公网IP地址。

私网IP地址和公网IP地址的区别：

• 私网就可以理解成是一个局域网。私网可以有很多个，而公网只有一个。
• 顾名思义，私网IP就是在私网中使用的IP地址，公网IP就是在公网中使用的IP地址。
• 不同的私网私网IP可以相同，但是在公网中，公网IP只有一个，是唯一的。
• 同一私网内的IP地址不能是重复的。

RFC1918规定，包含在以下范围的IP地址称为私有IP地址，其余的都是公网IP地址。

• 10.*，前8位是网络号，共16777216个地址。
• 172.16.到172.31，前12位是网络号，共1048576个地址。
• 192.168.*前16位是网络号，共65536个地址。

•  一个路由器可以配置两个IP，一个WAN口IP，一个LAN口IP(子网IP)。
• 路由器的LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
• 不同路由器，子网IP其实是一样的(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地址可以重复。
• 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，这样的运营商路由器可能又很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP。不是最外层的路由器的WAN口IP是下一级局域网的私有IP。
• 子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP地址报头的源IP地址替换成了WAN口IP，这样逐级替换，最终数据包中的源IP地址成为了一个公网IP，这种技术称为NAT，网络地址转换。

比如：

 为什么发送信息时要进行源IP地址的替换？

        因为私网IP不能出现在公网中。广域网就相当于公网。

注意：正常情况下，不同的局域网，不通过公网，一般不能通信。

        3.7 路由

        主机A跨网络通信主机B，首先需要找到主机B所在的局域网，再在该局域网中找到主机B。路由就是找下一跳往哪跳，下一次发送给那个节点。

        路由表：路由表存储着指向特定网络地址的路径。

注意：路由表不仅仅存在于路由器中，还存在于联网的计算机中。

        路由表可以通过route命令查看。

         路由过程：根据IP地址和子网掩码，按位与得到目的网络号，找路由表中找是否有匹配的目的网络号。有匹配的目的网络号，通过Iface接口发送出去，去找目标主机。没有匹配到，会发送给默认网络号(default)，一般是路由器，然后该路由器循环上面操作，直到找到主机。

比如：

        局域网之间通信：主机A发送给主机B，主机A知道目的IP地址，通过子网掩码，按位与获得目的网络号，查主机A的路由表，有对应的目的网络号，直接将数据发送到局域网，所有主机都能收到数据，实际发送的数据实际还会包裹一层MAC地址(在我下一篇博客有介绍)，这个MAC地址是主机B的MAC地址，所以只有主机B收到该数据会向上交付。

        跨网络通信：主机A发送给主机B，主机A知道目的IP地址，通过子网掩码，按位与获得目的网络号，查主机A的路由表，没有对应的目的网络号，会将数据发送给数据在外层包裹上路由器的MAC地址，发送到局域网中，只有路由器收到该数据是有效的，路由器重复上面操作。

        先查路由表，再决定发送给局域网中的路由器还是其它主机。

        数据在网络中是以光电信号的形式传输的，在路由过程中，由于距离的问题，可能会不断被削弱。集线器的作用是可以放大数据信号。