网络层
在复杂的网络环境中确定一个合适的路径.
IP 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.
• 4位头部长度(headerlength):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.
• 8位服务类型(TypeOfService):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0,其他是1.类 似于一个结束标记.
• 13位分片偏移(framegamentoffset): 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(TimeToLive,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
网段划分(重要)
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
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])。
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.
针对这种情况提出了新的划分方案,称为CIDR(ClasslessInterdomainRouting):
• 引入一个额外的子网掩码(subnetmask)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;
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(loopback)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RFC1918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);
• 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(NetworkAddress Translation，网络地址转换).
• 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
在复杂的网络结构中,找出一条通往终点的路线;
路由的过程,就是这样一跳一跳(HopbyHop)"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.
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;
• 路由表可以使用route命令查看
• 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。
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:
• 这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,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,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;