网络编程7——IP协议(子网掩码,NAT机制，IPv6协议) + 以太网

news2024/11/26 11:57:49

文章目录

  • 前言
  • 一、IP协议
    • 协议头格式
    • 认识IP地址
      • 格式
      • 组成
      • 子网掩码
    • 地址管理
      • 1.动态分配
      • 2.NAT机制
      • 3.IPv6协议
    • 路由选择
  • 二、以太网
    • 以太网帧格式
    • 认识MTU
  • 总结

前言

本人是一个普通程序猿!分享一点自己的见解,如果有错误的地方欢迎各位大佬莅临指导,如果你也对编程感兴趣的话，互关一下，以后互相学习，共同进步。这篇文章能够帮助到你的话,劳请大家点赞转发支持一下!

IP协议是网络层的重要协议，我们编写代码很难直接接触到，因此本文只讲解IP协议的两个核心功能：地址管理与路由选择，废话不多说，直接上干货。

一、IP协议

协议头格式

在这里插入图片描述

  • 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 长度 * 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 15 * 4 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：表示发送端的网络地址和接收端的网络地址。
  • 选项字段（不定长，最多40字节）：选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。 此字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。

认识IP地址

格式

IP地址格式
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）如:
01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：
100.4.5.6。

组成

IP地址分为两个部分：网络号和主机号。

1️⃣网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识。(表示局域网)

2️⃣主机号：标识主机，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。(表示局域网的内部设备)

图解如下： 在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
一个路由器，有两个IP地址，分别对应不同的局域网，路由器的作用就是把多个局域网连接起来。 一个路由器所在的两个局域网的网络号不能重复

子网掩码

一个IP地址中，哪个部分是网络号，哪个部分是主机号？ 一定是前三个字节是网络号吗？？ 答案是不一定的。

对于网络号与主机号的划分，主要有两种分类方式。 1️⃣IP地址分类(ABCDE)【教科书上存在，但是已经淘汰，不做介绍】 2️⃣子网掩码

在命令行中输入"ipconfig" 可以查看Windows IP 配置。
在这里插入图片描述
子网掩码，也是一串32位的二进制数。

1所占的二进制位就表示网络号，0所占的二进制位就表示主机号 。
上述的子网掩码用二进制表示：
111111111.11111111.11111111.00000000
也就是说这个IP地址前24位表示网络号，后8位表示主机号。

所有的子网掩码，左侧都是1，右侧都是0，不会出现0101这种混合情况。

地址管理

在协议头格式中为
源IP地址：发送方设备的网络地址
目的IP地址：接收方设备的网络地址

  • 每个网络设备都要有一个 唯一的IP地址 。

IP地址是32位二进制数，所以IP地址的总数量为 232 个，大约为42亿9千万。

在如今这样一个网络高度发达的时代，物联网兴起的时代，不止是电子产品联网了，还有家具，电器等设备都进行了联网。所以这些IP地址早就已经不足以支持这么多设备了。

为了解决这个问题，大佬们提出了三种解决方案。
目前主流的解决方案是 动态分配 与 NAT机制 这两种。

1.动态分配

动态分配比较好理解，

动态分配：任何一台设备，只有在上网的时候才分配IP地址，不上网就不分配 。

这个方案只是增加了IP地址的利用率，并没有增加IP地址的数量，只是一定程度上的缓解，不能彻底解决问题。

2.NAT机制

NAT（Network Address Translator，网络地址转换）是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局 IP 地址的技术。

NAT机制内容

NAT机制将所有的IP地址分为了两大类 内网与外网 。

内网IP： 10.*；172.16. * —— 172.31. * ；192.168. *
外网IP： 剩下的所有IP

内网IP在同一个内网中，不可重复 ；不同内网中可以重复 (如下图)。
外网IP必须是唯一的
在这里插入图片描述

内网设备如果要访问外网，会给他分配一个外网IP，这个外网IP是内网设备共有的，因此一个外网IP就代表了许多设备。

如上图，如果内网1中的任何一台设备要访问外网，就会分配一个外网IP，假设为 66.66.66.66，并且使用这个外网IP去访问其他外网。

而这个分配下来的外网IP是这个内网中所有设备共有的，此时内网1中的任意设备访问外网时都会使用这个外网IP。

内网与外网

内网与外网的区别可以这样理解：

对于省份来说，河北省就是保定市，沧州市这些市的外网IP，这些市就是内网IP。
河北省(外网)包括保定市，沧州市，其他省份(外网)要想找到保定市(内网)，就要先找到河北省(外网)

对于国家来说：中国就是河北省，河南省，这些省的外网IP，这些省就是内网IP。
中国(外网)包括河北省，河南省(内网)，其他国家(外网)要想找到河北省(内网)，就要先找到中国(外网)。

对于星球来说：地球就是中国，俄罗斯这些国家的外网IP，这些国家就是内网IP。
地球(外网)包括中国，俄罗斯(内网)，其他星球(外网)要想找到中国(内网)，就要先找到地球(外网)。

内网与外网并不是绝对的。

在命令行中输入"ipconfig" 可以查看Windows IP 配置。
在这里插入图片描述
实际上这个IPv4就是一个内网地址。

在这里插入图片描述
这个IP是在百度中查的这就是我的主机的外网IP，这个外网IP一定会被很多设备共用。外网IP查询地址

搞个流程图，可能更容易理解。

多台计算机向服务器发送请求
在这里插入图片描述
服务器向多台主机返回响应

在这里插入图片描述
当然了网络环境是很复杂的，因此可能需要经过多台路由器，交换机的转发才能到达服务器，因此可能请求发送过程中源IP地址被记录替换很多次，响应返回过程中目的IP被替换很多次。

你一定有个疑问？？？
如果多个设备经过同一路由器发出请求，而网络状况，请求都不一样，所以响应回到路由器肯定也是没有顺序可言的。那么路由器是怎么区分哪个响应该返回给哪台主机的呢？？

此时，需要 NAT 设备根据传输层信息或其他上层协议去区分不同的会话，并且可能要对上层协议的标识进行转换，比如 TCP 或 UDP 端口号 。

在NAT的背景下，设备之间通信是有要求的
外网设备 -》外网设备，不需要任何NAT设备，直接通信。
内网设备 -》其他内网设备，不允许！
外网设备 -》内网设备，不允许！
内网设备 -》外网设备，经过对应内网的NAT设备即可完成通信。

3.IPv6协议

目前主流的IP协议是IPv4协议，就是目前介绍的协议。

而IPv6协议是一个新的IP协议，大概在2000年左右提出。

他与IPv4的最大区别就是：
IPv4用 4个字节 32位二进制位数来表示IP地址。 IPv6用 16个字节
128位二进制位数来表示IP地址。

故 IPv6协议有 2128个IP地址 ，这个数字是十分巨大的。这些IP地址可以给地球每一粒沙子都分配一个IP地址，因此IPv6协议从根本上解决了IP地址不够用的问题。

那为什么现在主流的IP协议还是IPv4协议呢？？
因为：IPv4与IPv6并不兼容
IPv4出世的早，故而市面上的设备基本都是IPv4协议。
一个普通的IPv4设备，要想支持NAT，软件上升级下系统就可以了(成本很低)
一个普通的IPv4设备，要想支持IPv6，不仅要升级软件，还要升级硬件(成本很高)
所以大家就都用动态分配与NAT机制暂时解决IPv4的弊端，凑合用IPv4.

路由选择

现在主机A要给主机B发送一条消息。
互联网当中存在大量冗余，即A到B之间有很多条不同的线路可以选择，而 路由选择就是来选择到底走哪条路的 。

某个路由器是无法把整个网络环境记录下来的，路由器只能选择记录周围的情况(路由器内部使用 路由表这样的数据结构来记录邻居信息)，即同一个局域网的情况。

因此网络转发的过程，就是一个逐渐问路的过程。
每个路由器只知道周围的情况，很可能你要找的IP地址他不知道(目的IP在路由表中没有匹配到)，
此时路由器就会给你指出一条默认路径即路由表中的 “下一跳表项”(更上一级的路由器)，
越上级路由器越牛，路由表记录的IP也就越多，因此重复这个过程就能找到目的IP了。
上述就是一个路由转发过程(简化版)了

二、以太网

“以太网” 不是一种具体的网络，而是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。

以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等。

以太网帧格式

在这里插入图片描述

以太网帧中的地址，指的是mac地址，可以作为网络上身份识别的一种有效的技术手段，与IP地址类似。
mac地址占六个字节，数量是IP地址的6万多倍，因此够用，可以做到每个网卡都有唯一一个mac地址，且mac地址都是在网卡出厂时被写死的，不需要动态分配。

帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP，此处只介绍IP类型；
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

不同的数据链路层协议，对应不同的硬件物理设备，此时传输数据的上限也不一样。

认识MTU

数据链路层的数据帧的最大载荷长度，称为MTU。
此处的载荷已经添加过传输层报头与网络层报头了

如果承载的数据长度超过MTU，就会在网络层进行分包，将一条数据拆分成多条数据，使每个载荷长度都小于MTU

IP协议的一个工作就是进行分包组包
在这里插入图片描述

组包过程
在这里插入图片描述

注意

不同数据链路层协议MTU不同。

虽然可以进行拆包组包，但是不能改变UDP协议最多只能传64K数据的事实，因为UDP头部中，表示长度的大小处只有两个字节。

总结

以上就是今天要讲的内容，本文NAT机制是难点，其中的内网与外网的界限比较模糊，如果还是有点不明白，可以私信我，一起讨论。

路漫漫不止修身也养性。

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