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网络层---IP协议

2021-07-14 10:04:52  阅读：363  来源： 互联网

标签：IP IP地址 网络层 --- NAT 主机 分片 路由器


IP协议


IP给通信双方提供了一种能力：将数据从A主机跨网络传输到B主机的能力。

1. IP协议报头

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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位首部长度(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. （标准情况下为20字节，但是这里的单位是4字节的，所以这里应该填写5的二进制为101）
  • 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. （操作系统帮我们决定，使用默认的就行）
  • 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（ 对于任何一个报文，都要解决两件事：①将报头和有效载荷进行分离②将自己的有效载荷交付给上层的哪一个协议）
  • 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏. （能更快的识别是否是合格IP报头）
  • 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): 这个就由4位首部长度来决定了

1.1 分片和组装

MTU（最大传输单元）：mac帧或者网卡所能承担的最大载荷（这里就是1500字节）。
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  • 为啥要分片？
    mac帧的有效载荷=ip报头 + ip有效载荷，如果超过了MTU那么就要倒逼着网络层的IP进行分片。来计算一下，如果mac帧的有效载荷为1500字节，那么在标准情况下ip的有效载荷应该为1480字节，那么tcp的有效载荷应该为1460字节（MSS：TCP单个数据报的最大消息长度）。
  • 为啥要组装？
    只有ip层知道报文进行了分片，且别人也不关心。mac帧层只是定了一个协议，不允许有效载荷超过1500字节而已，然而 TCP层传下来的是一个完整的报文，那么在接收的时候也应该拿到一个完整的报文，所以这里要进行组装。
  • 那如何组装呢？
    这里就用到了ip报文中的16位标识，3位标志，13位片偏移。假设收到了很多的ip报文，有的进行了分片，有的则没有，分三步：①把分片的报文挑选出来（3位标志中的第三位，如果是1说明分片了）②把同一组的报文进行归类（16位标识如果相同，说明是同一组）③进行排序组装（通过13位片偏移进行排序即可）

假设现在mac帧的有效载荷为3000字节，如何进行分片？分几片？

  • 应该在网络层（ip）进行分片，应该分3片，而不是2片的1500字节，因为每个分片之后的报文都应该带上一个ip报头。3000字节的时候网络层的有效载荷为2980字节，如果分2片，那么此时两片加起来的有效载荷为1480 * 2 = 2960字节，少了20个字节。所以还需要一片，这一片的有效载荷为20字节。这样才正确的的进行了分片。

分片之后，任何一个分片丢了，那么TCP协议会对整个ip报文进行重传，而不是单纯的只传丢失的分片报文（因为TCP不知道你分片了）。所以分片并不好，要尽量控制长度，不要超过MTU的1500字节。 ip地址分片对于UDP的影响较大。

1.2 硬件设备

在网络层往下开始逐渐的增加了硬件设备。

  • 交换机：划分碰撞域减少碰撞的次数(一块区域发生了碰撞并不影响另一块区域的通信)
  • 集线器：会对传输的信号进行放大。（因为随着距离的增加，信号的传递会衰减）
  • 路由器：数据路由和动态分配IP地址

2. 网段划分

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;
  • 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

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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.（用了我给你分配，不用的时候我在回收回来）
  • 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：
在这里插入图片描述
（这是一种粗力度的划分方式，从上表中可以看到他是以第一个一直到第五个bit位是否为0且前面的bit位均为1进行的分类，这种划分方式很不好，因为相当于已经把ip地址给固定化了）

  • 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;

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（CIDR的划分方式和和上面的分类方式可以认为毫不相干）;

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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

2.1 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

2.2 IP地址的数量限制

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;
  • 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（真正的从根本上解决问题）;
  • NAT技术（下面有详细解释）

3. 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, 都成为私有IP, 其余的则称为全局IP（或公网IP）
    （要想构建一个局域网ip地址那么就必须从这三类中选，且私有IP地址不能出现在公网中）
    在这里插入图片描述
  • 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).

1. 所有的客户端请求都必须先经过运营商的中转，然后在才能中转到互联网公司，
2. 所有的请求都必须不断的经过NAT地址转化发到公网当中

4. 路由

路由查找的过程是先查找到目的网络在查找到目标主机。

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。
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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

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

  • 路由表可以使用route命令查看
  • 如果目的IP的网络号在路由表中, 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，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;

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（Destination）, 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。

这里的default更像是你去问路，XXX怎么去？大爷想了想，还是没有想到这个地方在哪里，他就说了一句你去问一下那个人，他在这一片已经生活了很久了，一定知道怎么去。也就是说虽然他不知道，但是他可以给你提供一个方法，让你能够找到正确的路。

5. 重要的协议

5.1 DNS（域名解析）

DNS是一整套从域名映射到IP的系统（属于应用层）
DNS的底层使用的是UDP协议，因为足够简单，如果失败了那就在请求一次。

TCP/IP中使用IP地址和端口号来确定网络上的一台主机的一个程序. 但是IP地址不方便记忆. 于是人们发明了一种叫主机名的东西, 是一个字符串, 并且使用hosts文件来描述主机名和IP地址的关系.
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DNS系统

  • 一个组织的系统管理机构, 维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系.
  • 如果新计算机接入网络, 将这个信息注册到数据库中;
  • 用户输入域名的时候, 会自动查询DNS服务器, 由DNS服务器检索数据库, 得到对应的IP地址.

至今, 我们的计算机上仍然保留了hosts文件. 在域名解析的过程中仍然会优先查找hosts文件的内容.

cat /etc/hosts
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域名简介
www.baidu.com

域名使用 . 连接

  • com: 一级域名. 表示这是一个企业域名. 同级的还有 “net”(网络提供商), “org”(非盈利组织) 等.
  • baidu: 二级域名, 公司名.
  • www: 只是一种习惯用法. 之前人们在使用域名时, 往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式, 来表示主机支持的协议.（其实也可以省略掉）

5.2 ICMP协议

ICMP协议是一个网络层协议 （但是和IP具有上下层关系，起到一个诊断的作用）

一个新搭建好的网络, 往往需要先进行一个简单的测试, 来验证网络是否畅通; 但是IP协议并不提供可靠传输. 如果丢包了, IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因.

ICMP正是提供这种功能的协议; ICMP主要功能包括:

  • 确认IP包是否成功到达目标地址.
  • 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因.
  • ICMP也是基于IP协议工作的. 但是它并不是传输层的功能, 因此人们仍然把它归结为网络层协议;
  • ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6;

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IP报文中有一个8位协议，就是要把有效载荷交付给上层哪一个协议，这里就有可能是UDP或TCP还可能是ICMP协议。

ping命令底层使用的就是ICMP协议
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  • 此处 ping 的是域名, 而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址.
  • ping命令不光能验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live, 生存周期).
  • ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端;
  • 对端接收到之后, 会返回一个ICMP Echo Reply;
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traceroute命令
也是基于ICMP协议实现, 能够打印出可执行程序主机, 一直到目标主机之前经历多少路由器
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5.3 NAT技术（重要）

IPv4协议中, IP地址数量不充足，NAT技术是当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能;

  • NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
  • 很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;
  • 全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的;

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  • NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37;
  • NAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10;
  • 在NAT路由器内部, 有一张自动生成的, 用于地址转换的表; 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系;

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的. 例如在TCP的情况下, 建立连接时, 就会生成这个表项; 在断开连接后, 就会删除这个表项。

NAT技术的缺陷

由于NAT依赖这个转换表, 所以有诸多限制:

  • 无法从NAT外部向内部服务器建立连接;
  • 转换表的生成和销毁都需要额外开销;
    通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备（备胎）, 所有的TCP连接也都会断开;

NAT和代理服务器

路由器往往都具备NAT设备的功能, 通过NAT设备进行中转, 完成子网设备和其他子网设备的通信过程.

代理服务器看起来和NAT设备有一点像. 客户端像代理服务器发送请求, 代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器; 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户端.

那么NAT和代理服务器的区别有哪些呢?

  • 从应用上讲, NAT设备是网络基础设备之一, 解决的是IP不足的问题. 代理服务器则是更贴近具体应用, 比如通过代理服务器进行翻墙, 另外像迅游这样的加速器, 也是使用代理服务器.
  • 从底层实现上讲, NAT是工作在网络层, 直接对IP地址进行替换. 代理服务器往往工作在应用层.
  • 从使用范围上讲, NAT一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网.
  • 从部署位置上看, NAT一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上

代理服务器又分为正向代理和反向代理
简单点说正向代理：客户端像代理服务器发送请求, 代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器; 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户端，反向代理则是：当你有需要的时候就直接找代理服务器，你也不要管代理服务器如何方式获得你要访问的真正服务器，反转你有要求就直接找代理服务器，他就能直接帮你返回你要的结果。

  1. 正向代理用于请求的转发
  2. 反向代理往往作为一个缓存.

标签：IP,IP地址,网络层,---,NAT,主机,分片,路由器
来源： https://blog.csdn.net/MEANSWER/article/details/118667389

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