tcp/ip四层模型之网络层
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基本概念
- 网络层实现数据包的选路和转发。
- 网络层最核心的协议是IP协议(Internet Protocol,因特网协议)。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机,那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳(next hop)路由器,并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复这一过程,数据包最终到达目标主机,或者由于发送失败而被丢弃。可见,IP协议使用逐跳(hop by hop)的方式确定通信路径。
- 网络层另外一个重要的协议是ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议)。它是IP协议的重要补充,主要用于检测网络连接。这个得记牢,面试会问到。
ip协议报头
- 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length个32bit, 也就是length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节;最小长度为20字节。
- 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。由于MTU的限制,长度超过MTU的数据报都将被分片传输,所以实际传输的IP分片数据报的长度远远没有达到最大值。
- 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,但是还没想好说不定以后要用到)。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1,其他是0。类似于一个结束标记。
- 13位分片偏移(framegament 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原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 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).
例:一共要传输3800字节,每次最大只能传1400字节(因为还要加上ip固定头部字节的20字节,加起来就是1420字节),专所以只需传3次,即1400+1400+1000(一共3800字节)即可。
这样第一次传时,片偏移为0。第二次传时,片偏移为1400/8=175。第三次传时,片偏移为2800/8=350
- 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 -= 1, 一直减到0还没到达, 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)
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, 但是必须有不同的主机号
ip地址划分
- 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子网的网络号一致, 但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。
- 手动划分麻烦,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DHCP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:
- A类 0.0.0.0到127.255.255.255
- B类 128.0.0.0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,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。
例题:
先看第一个问:210.222.5.121 & 255.255.255.248 的结果为 210.222.5.121,所以子网地址就为210.222.5.121。
第二个问:不看前面210.222.5,因为子网掩码的前面三段为255.255.255,它们相与的结果不变,还是210.222.5。看子网掩码最后一段11111000,某尾有3个0,那么可用的主机就有2^3 - 2 = 6个。因为要减去全0和全1,全0表示网段,全1表示广播地址
所以第三个问的答案就是:210.222.5.127
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地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1。
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么? - 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地址不够用的问题(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:
①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;
②NAT技术(后面会重点介绍);
③IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表示一个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,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)。
路由
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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)。
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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。
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不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是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。
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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会有很多级,最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了。
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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地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation,网络地址转换)。
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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。
路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) “问路” 的过程.
所谓 “一跳” 就是数据链路层中的一个区间. 具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。 -
当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
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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路由器;
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依次反复, 一直到达目标IP地址
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每一个路由器内部都维护一个路由表,路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表建立的主要目标是为了实现路由协议和静态路由选择。有兴趣可以自己下来深入了解。