网络层

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径.

IP协议

与TCP协议并列,都是网络体系中最核心的协议.

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

4位版本号(version):指定IP协议的版本,对于IPv4来说,就是4.(只有两种:IPv4,IPv6).

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表达的最大数字为15,因此IP的最大长度是60字节.(IP报头也是可以变长的).

8位服务类型(Type Of Sevice):3位优先权字段(已经弃用),4位TOS字段和一位保留字段(必须置为0).4位TOS分别表示:最小延时(吃饭快),最大吞吐量(吃饭多),最高可靠性(IP并非是像TCP一样提供了强可靠性,但是内部也有考虑,减小了丢包率),最小成本(硬件设备的开销).这四者互相冲突,只能选择一个.

16位总长度(total length):IP数据整体占多少字节.(即报头+载荷,虽然IP有长度限制,但也提供了拆包和组包的功能).

16位标识(id):唯一的标识主机发送的报文.如果报文在数据链路层被分片了,那么每一个片中的id都是相同的.(哪些数据应该在一起组装).

3位标志字段:第一位保留(保留的意思是现在不用,但是说不定以后要用到).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",如果分片了话,最后一个分片置为1,其它是0,类似一个结束标记.

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.其实就是表示当前分片在原报文中的哪个位置,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,其它报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了).(组装包的先后顺序).

8位生存时间(Time To Live,TTL):数据报到达目的地的最大报文次数,一般是64.每次经过一个路由,TTL-=1,一直减到0还没有到达,那么就丢弃了,这个字段主要是为了防止路由循环.(小提示:在cmd窗口中使用tracert + 网络名指令)可以看到当前的网络路径是怎样的.

8位协议:表示上层协议的类型(传输层使用哪个协议).

16位头部校验和:使用CRC进行校验,来鉴别头部是否损坏.(不管载荷).

32位源地址和32位目标地址:表示发送端和接收端.(最关键的地方)采用的是点分十进制,3个点分成4个部分,每个部分1字节(0~255). -> IPv4. 希望每一个网络都有一个唯一的IP地址.(数值达到了2^32,约42亿9千万->可能不够用).

选项字段(不定长,最多40字节):略.

地址管理

定义:使用一套地址体系(IP地址),来描述互联网上每个设备所处的位置.(不仅仅是电脑/手机,路由器,服务器也有IP地址).

网段划分

网段划分是为了方便组网,因为比如公司,学校等人多,上网设备也多,网络环境复杂.

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:同一网段中,主机之间具有相同的网络号,但是必须由不同的主机号;

注意:两个相邻的局域网,网络号不能相同(一个路由器连接的网络就是相邻的).

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是一致的,但是主机号必须不能和子网中的其它主机重复.

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.

那么问题来了,手动管理子网内的IP,是一个相当麻烦的事情.

有一种技术叫做DHCP,能够自动给子网内新增主机结点分配IP地址,避免了手动管理IP的不便

一般路由器都带有DHCP功能,因此路由器也可以看作是一个DHCP服务器.

过去(上古时期)曾经提出一种划分网络和主机号的方案(直接通过IP的前缀来起到设置网段的效果),把所有IP地址分为5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 

随着互联网的快速发展,这种划分方案的局限性很快就体现了出来,大多数组织都申请B类网络地址,导致B类地址很快就消耗完了,而A类却浪费了大量的地址;(比较死板)

例如,申请了一个B类地址,理论上一个子网内能允许6w5k多个主机.A类地址的子网内的主机数中更多.

然而实际的网络架设中,不会存在一个子网内中有这么多个情况.因此大量的IP地址都被浪费掉了.

针对这种情况又提出了新的方案,称为CIDR:

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.通常用一段"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为0(eg.192.168.0.0),就成为了网络号,代表这个局域网(这个IP比较特殊,不能分配给某个主机).

将IP地址中的主机地址全部设为1(eg.192.168.0.255),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(UDP);  广播地址:往广播地址上发信息,局域网中所有设备都能收到(一对多的传输).典型场景:手机投屏,电脑投屏.(要求:必须是同一个局域网) .连上wifi点投屏键,就提示了可投屏设备(通过广播完成).

127.*的IP地址(本机)用于本机环回测试,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.那么一共有2的32次方个IP地址,大概是43亿左右.而TCP/IP规定,每个主机都需要有一个IP地址.

这意味着,一共有43亿台主机能接入网络吗?

实际上,由于一些特殊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,减小了浪费,但是IP地址的绝对上限没有增加),仍然不是很够用.需要用三种方法来解决:

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地址是不一定相同的;

NAT技术(后面重点介绍);

IPv6:IPv6并不是IPv4的简单升级版,这是两个互不相干的协议,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;(IPv6的报头和IPv4是不兼容的,引入IPv6就意味着当前网络设备(路由器不支持),就需要更换为IPv6的设备).

 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地址只用于局域网中的通信,而不是直接连接到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.

公网设备访问公网设备,没有问题,直接访问即可;

局域网设备访问局域网设备(同一局域网中),没有问题;

局域网设备访问局域网设备(不同局域网当中),不允许访问;

局域网访问公网就要对局域网设备进行IP地址转换;

公网访问局域网设备,不允许访问.

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;

包含在这个范围内的都成为私有IP,其余为全局IP(公网IP);

你的设备只要连接上路由器,此时路由器就会给你自动分配;

一个路由器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实际上都是一样的(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一个结点,这样运营商路由器就会有很多级,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.(NAT技术).

如果希望我们自己实现的服务器程序,能够在公网中被访问到,就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上.这样的服务器可以自行购买.