网络原理（四）——网络层协议

网络层

在复杂的网络中确定一个合适的路径。

IP协议

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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

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• 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头部最大长度是60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.
• 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).
• 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(重要)

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;

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• 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.

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. DHCP技术： 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.

网段划分：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[TCPIP])。

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• 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;

• 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:

• 引入一个额外的子网掩码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;

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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:

• 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RFC1918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2^24=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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• 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.
• 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.
• 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).
• 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

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;

IP数据包的传输过程

• 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路由器;
• 依次反复, 一直到达目标IP地址.

路由表

• 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。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

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• 这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络;
• 路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些 条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的 地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

转发过程例1: 如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3

• 跟第一行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符
• 再跟第二行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去;
• 由于192.168.56.0/24正 是与eth1 接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发;

转发过程例2: 如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2

• 依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配;
• 按缺省路由条目, 从eth0接口发出去, 发往192.168.10.1路由器;
• 由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址;