网络层

在复杂的网络环境中寻找一条合适的路径传输数据

IP协议

IP指网际互连协议，Internet Protocol的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务

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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;

IP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全为1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", 如果后面还有更多分片的话就置1, 最后一个分片置为0, 其他是1. 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): 略

CRC技术：即循环冗余校核，是一种根据网络数据包或电脑文件等数据产生简短固定位数校核码的快速算法，主要用来检测或校核数据传输或者保存后可能出现的错误。CRC利用除法及余数的原理，实现错误侦测的功能，具有原理清晰、实现简单等优点。

IP数据包的分隔和重组

为什么会分片，这是因为数据链路层规定，一次可以往网络里发送的数据大小是有限制的,MTU（Maximum Transmission Unit）大小最大是1500字节，所以网络层交给数据链路层的报文大小是有约束的，如果IP报文太大，就要进行分片处理

而这个分片处理操作传输层知道吗？？不知道，网络协议是层层解耦的，网络层会将分片后的数据组装好交付给上层，而每个分出来的报文需要考虑组装问题，都必须要有报头

[clx@VM-20-6-centos ~]$ ifconfig # 可以使用次命令查看

为什么要在网络层分片？？ 因为分片完的报文也需要添加报头，链路层不了解网络层的IP报头，在网络层进行分片可以降低耦合度
谁来组装？？对端的网络层IP协议
分片真的好吗？？如果在传输过程中丢失了一个呢？？只要丢失了任意一个，就会导致组装失败，整个报文全部丢弃，所以分片会提高我们丢包的风险
如果不想分片，谁说的算？？传输层，传输层决定在什么时候发，发多少等问题，在通信前传输层会和对端主机协商单个报文的大小，保证报文的大小合理就不会造成分片的情况了

一般而言，我们为了减少分片，一般是要控制TCP单个报文的大小。而UDP没有发送缓冲区，数据添加报头后直接交给传输层发送所以单个报文大小就非常难掌控，会出现分片情况

分片后如何组装呢？？

IP协议报头16位标识，报文如果没有分片，不同报文16位标识是不一样的，若有一个报文进行分片，则分出来的每一片报头中的16位标识是一样的
13位片偏移：我的报文的有效载荷，在原始报文有效载荷中的偏移量

在没有丢包的情况下，我们使用16位标识就可以将一个报文分片完的每一片找出来，然后对这些片用13位片偏移进行升序排序，最后将有效载荷连接在一起就成功了

但是，我怎么知道报文收全了呢？？

首部丢了，在升序排序时可以明显发现片偏移缺少为0的报文，说明首部丢了
中间丢了，在升序排序中，下一个报文的片偏移 = 上一个报文的片偏移 + 上一个报文长度，若计算过程不连续，则说明包丢了
结尾丢了，这里就要用到报头中的三位标志为了，1位保留，1位标识禁止分片，1位标识更多报文，最后一个报文的更多分片应该置0，所以只要我组合的报文升序排序后最后一个报文的三位标志位最后一位为1，则说明结尾丢了

三位标志最后一位：区分最后一个报文，确认是否收全所有分片

接收端如何知道报文是否独立：因为网络状况不稳定，接收到的报文时混淆的，纳闷我们如何识别这个报文是一个独立报文还是一个分片报文呢？

如果一个报文更多分片标志位为1或者片偏移大于0，则说明这个报文是一个分片报文。与之相反的报文，更多分片标志位和片偏移均为为零，一定是一个独立报文

网段划分

IP = 网络号 + 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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路由器至少拥有两个IP也就是两张网卡，这样才可以跨网络传输数据

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.

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(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.

CIDR无类别域际路由

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;

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-a27AwfWQ-1675399762716)(C:\Users\Lenovo\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230131141343517.png)]$

可见,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,例如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

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0SrslXoS-1675399762717)(C:\Users\Lenovo\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230131161742877.png)]$

IP地址的数量限制问题

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(后面会重点介绍);
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).

NAT技术 : 请求在对外发送的时候，源IP地址可能一直在被中间路由器替换

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.

路由控制

路由器时可以用来组建局域网

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.

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oYri8T4c-1675399762717)(C:\Users\Lenovo\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230201191953640.png)]$

IP数据包的传输过程也和问路一样

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;

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表;

route指令：查询路由表信息

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。

[clx@VM-20-6-centos ~]$ route
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         gateway         0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
10.0.20.0       0.0.0.0         255.255.252.0   U     0      0        0 eth0
link-local      0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth0

这台主机有一个网络接口，连接到10.0.20.0/30网络

路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,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;

路由表生成算法

这台主机有一个网络接口，连接到10.0.20.0/30网络

路由表生成算法

路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由). 请同学们课后自己调研一些相关的生成算法, 例如距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等