网络层相关学习

一、网络层

在复杂的网络环境中确定⼀个合适的路径

二、IP协议

(1) 基本概念

主机：配有IP地址，也要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

(2) 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(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

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

(3) 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

🔺 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])

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

🔺 针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)(无类别域间路由)

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
cpp 复制代码
可⻅,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
(4) 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

(5) 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

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

(6) 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)

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)

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

(7) 尝试理解公网

真实的网络结构非常复杂，即涉及到划分公网IP的组织，ICANN，还要在全球范围内进行区域划分，比如亚太，北美，欧洲等，又要考虑各个国家内部的ISP代理，整体拓扑非常复杂，我们简化所有过程，简单理解公网即

(8) 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(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

🔺 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

三、补充

IP报头，时机上也是结构体；也是sock结构体的拓展，模拟多态的形式

主机是根据报文中的目的IP，进行路径选择的（4字节IP）

IP=目标网络+目标主机

数据从一个主机到另一台主机，中间需要经过无数个子网转发

📍 TCP与IP

TCP是一种策略，通过三次三次握手与四次挥手等机制，建立起可靠的链接，实现可靠的传输控制策略

IP是一种能力，把数据包从一台主机送到另一台主机的力（路由转发）；具备跨网络的能力，不保证质量

8位生存时间：一般为64跳，防止出现路由循环，如果减到0话没有到，那就丢弃

📍 之前我们在学习滑动窗口时，为什么不一次性传长度较大的报文？而是以1000为大小传报文？

答：因为在网络中存在碰撞检测与碰撞避免；报文长度越大，那么传输速度越慢，同一时间，网络是一个临界资源，只能一个主机发数据，所以规定传的数据（有效载荷）不能超过MTU（1500字节），在数据链路层中；分片的工作不应当交给数据链路层来做，应该交给网络层来做

不建议分片与组装①慢，②增加丢包概率

每一个分片，都带有报文，是有效载荷进行分片

📍 如何识别出来是否被分片？

MF=0 && 片偏移=0：没有被分片（MF时3位标志中的"更多分片"，最后一为0，其他为1）

MF！=0 || 片偏移！=0：一定被分片了

16位标识就是为了把分片组装完成，时组装的依据

把所有分片收到，依据片偏移，然后升序排序

📍 路由器有个核心能力：构建子网（局域网）

网洛中新主机的加入，它的网络号和子网的网络号一致；但主机号不能重复

📍网段划分的意义

节约IP地址，分成小段，按需分配，避免IP浪费

隔离广播域，减少广播风暴

安全隔离（不同部分、网络、子网默认不能互通）

控制路由，减小路由表规模

为了支持未来，查找目标网络的过程中，快速淘汰！提高查找效率

把报文交给目标主机的本质是什么？ 本质是一个查找工作，就是淘汰

子网掩码存在路由器内部

13位片偏移：实际偏移的字节数是这个值乘8得到的；因此，除了最后一个报文外，其他报文的长度必须时8的整数倍

写入：片偏移内部写数据时，要求片偏移必须要整除8

读取：乘8就可以恢复，二进制在左移3位