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网络层&&数据链路层

分类: 文章 • 2024-02-28 17:41:04

1.网络层

网络层功能可以总结为：

  • 地址管理
  • 路由选择

1.1 IP协议

网络层&&数据链路层

  • 4位版本号：指定IP协议版本，例如IPv4、IPv6
  • 4位首部长度：表示IP头部的长度是多少个32bit，也就是length * 4 字节，4位能表示最大数为15，所以IP头部最大为 15 * 4 = 60 字节
  • 8位服务类型：前3位已经弃用，4位TOS字段，1位保留位(必须置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。四者相互冲突，只能选择一位
  • 16位总长度：IP数据报整体占多少个字节
  • 16位标识：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都相同
  • 3位标志位：第一位保留；第二位为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，如果分片的话，最后一个分片置为0，其他都是1，类似于一个结束标志
  • 13位片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移；实际偏移的字节数就是这个值 * 8得到的
  • 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，一般是64；每次经过一个路由，TTL- -，直到0还没到达，则被丢弃
  • 8位协议：表示上层协议的类型
  • 16位首部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏
  • 32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端地址

1.2 网段划分

IP地址分为两个部分：

  • 网络号：保证互相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，但必须有不同的主机号

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。但手动管理子网和IP是一件相当麻烦的事，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：
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  • A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
  • B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
  • C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
  • D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
  • E类：240.0.0.0 ~ 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, 申请了一个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
  • 然而实际网络架设中, 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

特殊的IP地址：

  • 将IP地址中的主机地址全部设置为0，就是网络号，代表这个局域网(LAN)
  • 将IP地址中的主机地址全部设置为1，就是广播地址，用于给一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
  • 127.*是本地回环IP，通常是127.0.0.1

IP地址的数量限制：
IPv4是一个4字节整数，大概42亿多，TCP/IP规定，每个主机都需要有一个IP地址，这就导致IP地址不够的问题，除了CIDR缓解IP地址不够的问题，还有以下三种方法也可以缓解：

  • 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, 每次接入互联网中, 得到的IP地址不一定是相同的
  • NAT技术
  • IPV6：IPv6并不是IPv4的简单升级；这是两个互不相干的协议，彼此并不兼容；IPv6用16字节表示一个地址

私网IP和公网IP：
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,共16,777,216个地址
  • 172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址
  • 192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址 包含在这个范围中的, 都成为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP)
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1.3 路由

在复杂的网络结构中，找到一条通往中点的路线
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  • 当IP数据包到达路由器，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的主机，还是需要发送给下一个路由器
  • 依次反复，直到到达目的IP地址

如何判断当前数据包该发送到哪里呢？
每个节点内部都维护着一个路由表
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  • 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它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址
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2.数据链路层

用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递

2.1 以太网

  • “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的内容. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等
  • 以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等
  • 以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 除此之外还有令牌环网, 无线LAN等

2.2 以太网帧格式

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  • 目的地址和源地址是指网卡的硬件地址(MAC地址)，长度是48位，在网卡出厂时就已经确定
  • 帧类型有三种：IP、ARP、RARP
  • 帧末尾是CRC校验码

2.3 MAC地址

  • MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点
  • 48位，6个字节，一般用16进制数字加上冒号表示（例如：00:0c:29:67:b2:39）
  • 在网卡出厂的时候就确定了，不能修改，mac地址通常是唯一的（虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址）

2.4 MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制

  • 以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位
  • 最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU
  • 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片
  • 不同的数据链路层标准的MTU是不同的

MTU对IP协议的影响
由于数据链路层MTU的限制, 对于较大的IP数据包要进行分包

  • 将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签
  • 每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的
  • 每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为0, 否则置为1)
  • 到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层
  • 一旦这些小包中任意一个小包丢失, 接收端的重组就会失败. 但是IP层不会负责重新传输数据
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MTU对UDP的影响

  • 一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报
  • 这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了

MTU对TCP的影响

  • TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(MaxSegment Size)
  • TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商
  • 最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU)
  • 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值
  • 然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS
  • MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)

使用 ifconfig 查看ip地址，mac地址，MTU
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2.5 ARP协议

ARP是工作于数据链路层和网络层的协议，用于建立IP地址和MAC地址之间的映射关系

  • 在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址
  • 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的,如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃
  • 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP协议格式：

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  • 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的
  • 硬件类型指链路层网络类型,1为以太网
  • 协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址
  • 硬件地址长度对于以太网地址为6字节
  • 协议地址长度对于和IP地址为4字节
  • op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

ARP工作流程：

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  • 源主机发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”, 并将这个请求广播到本地网段(以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播)
  • 目的主机接收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址与本机相符,则发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中
  • 每台主机都维护一个ARP缓存表,可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间(一般为20分钟),如果20分钟内没有再次使用某个表项,则该表项失效,下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址
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    模拟发送ARP请求：
    arping -I [网卡] -c [请求次数] [请求的目的主机的ip地址]

3.DNS && NAT

DNS：
DNS是一整套从域名映射到IP的系统；CP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序. 但是IP地址不方便记忆.于是人们发明了一种叫主机名的东西, 是一个字符串, 并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系

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  • DNS是应用层协议
  • DNS底层使用UDP解析
  • 浏览器会缓冲DNS结果

NAT：
NAT技术是解决IPv4中IP地址数量不够的重要手段；NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP.，也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法

  • 静态NAT：私网IP与NAT网关中的公网IP一一对应
  • 动态NTA：NAT网关为主机动态分配公网IP
  • 这两种方法并没有解决IP地址数量枯竭的问题

NAPT
NAPT也叫做重载NAT，NAPT使用 IP+port建立映射关系
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当多个主机访问互联网时，NAPT会分配相同公网IP地址和不同端口号，使用这个公网访问互联网，回复数据的时候，通过端口号来区分每个主机
NAT技术的缺陷

  • 无法从NAT外部向内部服务器建立连接
  • 装换表的生成和销毁都需要额外开销
  • 通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备, 所有的TCP连接也都会断开

本文完~

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