[网络]TCP/IP协议之网络层IP协议(3)

news2024/9/23 23:25:09

文章目录

网络层
- IP协议
- NAT机制

网络层

网络层主要做的事情:
1.路径规划(路由器选择)
2.地址管理

IP协议

在这里插入图片描述
1)4位版本
指定IP协议的版本, 4 => ipv4 , 6 => ipv6

2)4位首部长度
4位bit能表示0-15, 单位也是4字节, 所以IP报头最长60字节, 最短20字节

3)8位服务类型(TOS)
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.只能有一个置为0

16位总长度
整个IP数据包的长度, 报头 + 载荷, 最大64KB
但是TCP协议是不限制数据包大小的, 所以IP自身实现了拆包组包这样的功能, 如果携带的载荷超出长度上限, IP就会自动拆分成多个数据包, 每个数据包携带一部分, 发送到对方之后, 再拼接好
(IP并不关心传输的内容是啥应该怎么分, 只是粗暴地分成多份)

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IP数据包会根据上述三个属性进行拆包组包
16位标识: 用来区分哪些数据包要合并, 用来区分哪些数据包是一组的
3位标志位: 只有两个位有效
一个用来表示, 该数据包是否触发了拆包, 是否需要组包
另一个用来表示, 结束标记, 当前包就是最后一个需要组包的部分
13位片偏移: 若干个要拼接数据包的先后顺序

6)8位生存时间(TTL)
IP数据包要在网络上转发, 但是转发的次数是受限的
一个IP数据包, 初始情况下, 有一个TTL的值(32/64/128…这样的整数)
这个次数每经过一个路由器的转发, 就要 -1, 减到0, 这个数据包就会被丢弃

7)8位协议
这里就描述了载荷部分, 是哪种协议的数据包, 再分用的时候, 要交给上层的哪个协议, 都是有明确声明的

传输层 => 应用层: 端口号区分
网络层 => 传输层: 报头中有这个 8位协议字段, 不同的取值就对应不同的传输层协议
数据链路层 => 网络层: 报头中的类型字段, 用来区分是IP数据包, 还是其他的

8)16位首部校验和
只针对IP首部进行校验, 载荷部分不关心

9) 在这里插入图片描述
一个IP地址, 是一个32位的整数, 能表示的范围是 0-42亿6千万

NAT机制

原则上来说, 不同的设备, IP地址应该是唯一的, 显然这个数字, 在移动互联网的时代, 是不够用的
IP地址不够有, 有两个方案:

方案一: 动态分配IP地址
某个设备, 上网就分配IP, 不上网就不分配IP
这样的办法, 没法从根本上解决问题

方案二: NAT机制, 网络地址映射
首先, 把IP地址, 分成两大类:
公网IP(广域网使用的) 和私网IP(局域网内部使用的)

私网IP:
10.*
172.16-172.31.*
192.168.*

私网IP允许在不同的局域网中重复, 但公网IP是唯一的

那么设备之间的通信就分成了下述几种情况:
1)同一个局域网内部, 设备之间通信
由于一个局域网内部设备之间的IP是不能重复的, 此时这些数倍都能正常相互交互

2)广域网设备和广域网设备之间通信
要求广域网中的设备IP本身就是唯一的

3)局域网1中的设备A尝试访问局域网2中的设备B
这种情况是不允许访问的!!

如果需要进行上述操作, 往往需要搭配广域网中的服务器, 进行数据转发

4)广域网设备主动访问局域网设备
这种情况是不允许访问的!!

5)局域网中的设备主动访问广域网设备
这个过程中, NAT机制就开始发挥作用了
(我们为了简化过程, 省去了中间结点)
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此时的运营商路由器, 就可以认为是一个NAT设备, 它就会对中间经过的数据包, 进行网络地址转换
当内网设备经过运营商路由器访问外网的时候, 就会把IP数据包中的源IP, 替换成他自己的IP
目的就是让自己的外网IP, 取代之间的内网IP
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此时这个数据包到达cctalk服务器之后, cctalk就会看到一个5.6.7.8这样的设备给他发的一个请求, 但是cctalk对于我的电脑的内网ip,是一无所知的
这样的一个运营商路由器, 一般是按片区的, 这个运营商服务器的局域网中的几千台内网设备, 都是通过同一个外网IP, 在公网上进行传输的
你的电脑插到哪个路由器上, 你的私网IP就是由哪个路由器给你分配的

我们上网上搜索IP查询, 查到的就是你公网ip地址, 就是你运营商服务器的ip地址

现在cctalk服务器要返回给我相应的数据, 此时cctalk构造的数据包:
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这个数据包就会返回给运营商路由器
在运营商路由器内部, 维护了一个"映射关系"
记录当前这个对应的请求时从哪个内网设备发过来的
从而把目的IP替换回最初的内网IP

查询到结果后, 就把IP和端口替换过来了
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如果此时, 我们家的另一台电脑B也要访问cctalk(和我的电脑A同一个运营商路由器)

此时路由器就会将私网IP改成公网IP

此时站在cctalk的角度, 虽然这两个数据包来自同一个IP, 但是是不同的端口号, 就能够根据端口号来区分要把数据交给哪个客户端
cctalk返回的数据包:
在这里插入图片描述
这时在运营商路由器中, 就会维护这样的表:

此时, 运营商根据表, 就能找到私网IP

这样, 数据就能找到对应的主机啦
如果碰巧A和B的cctalk端口号相同, 那么运营商就会在映射表中将端口号也进行修改, 修改成唯一的端口号, 为了让服务器进行区分