【网络原理】TCP/IP协议02

接上文【网络原理】TCP/IP协议01

3. 网络层

在复杂的网络环境中确定⼀个合适的路径

① IP 协议

IP 协议，做到工作，主要是两个：

地址管理，使用 IP 地址这样的概念，标识网络上的某个设备的位置
路由选择，在两个通信设备节点之间，规划出一条合理的路径

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

② IP 报文格式

1️⃣4位版本号(version)：指定IP协议的版本，有 IPv4 和 IPv6 两个版本。

2️⃣选项：用于扩展IP功能，可有可无，选项的存在，那么IP的报头长度是可变的

3️⃣4位首部长度：IP 协议报头，和 TCP 协议一样，也是变长的，长度取值范围为0~15，以4字节为单位，即

报头最小长度为 20 字节(取最小值5，包含报头中的20个固定字节长度，选项除外)
报头最大长度为 60字节（取最大值15），包含选项40个字节 + 20固定字节
详情可看一看上一篇文章的 TCP 部分。

4️⃣8位服务类型：决定 IP 的工作方式，即 IP 可以切换工作状态

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

5️⃣16位总长度：报头+载荷的长度，即 64kb

与 UDP 协议不同，IP 协议内置了拆包组包的功能。
比如，IP 携带一个比较大的 TCP 数据包，IP 协议就会自动拆成多个，通过多个 IP 数据包共同传输一个 TCP 数据包。

6️⃣16位标识：唯一标识一个IP数据报。当数据报需要分片时，同一数据报的所有分片具有相同的标识，以便接收方重组。

拆包：把拆出来的多个包，设为相同的标识
组包：把相同标识的数据包组合到一起

7️⃣3位标志：

第⼀位保留(保留的意思是现在不用, 但是说不定以后要用到).
第二位表示是否触发了拆包操作，置为1，表示禁止分片/拆包
第三位表示当前包是否是最后一个数据包，置为0 表示就是最后一个，类似于结束标志

8️⃣13位片偏移：表示当前分片在原数据报中的位置 （以8字节为单位 ）。除了最后一个分片，其他分片的数据长度必须是8的倍数（否则报文不连续）。接收方据此将分片按顺序重组（偏移小的放在前面，大的放后面）。

如果基于 UDP 实现传输超过 64kb 的数据，可以参考 IP 的方案：

在应用层中，就可以指定标识符，指定片偏移，指定标志位

9️⃣8位生存时间：一个 IP数据报到达目的地经过的最大跳数（路由器数），⼀般是64。每经过一个路由器，TTL减1 ，减到0时还没到达目的地, 那么就丢弃了，该字段是为了防止路由循环导致网络瘫痪。

示例：TTL 为64，经过 14（64-50）次的路由器转发，到达了搜狗的服务器：

🔟8位协议：表示上层使用的是哪种协议类型（常见值：6=TCP，17=UDP），相对于网络层，上层就是传输层

分用的时候，IP协议解析IP数据包的时候，拿到载荷，交给上层处理，此处的8位协议编号，就起到了区分的作用
类似于：传输层到应用层 => 端口号区分到哪个应用程序；网络层到传输层 => 8位协议；数据链路层到网络层 => 也有一个类似的协议编号

1️⃣1️⃣16位首部校验和：这里只需要校验首部，即报头，载荷部分有 UDP/TCP 校验。

1️⃣2️⃣32位源IP地址/32位目的IP地址：表示发送端和接收端

③ NAT 技术

IP 地址是唯一的，32位IP地址，只能表示43亿9千万个不同的IP，那么 IP 地址不够同了咋办？

有两种方案：

1. 动态分配IP：上网再分配，不上网不分配，有所缓解，但是不能根本上解决问题
1. NAT 机制（网络地址转换）：
- 把所有的 IP 地址分成两个大类：公网IP/外网IP 和私网IP/内网IP（10. 或者 172.16-172.31 或者 192.168 表示私网的IP）。
- 私网IP 在同一个局域网中，是唯一的，在不同局域网中，可以重复。例如，我的IP，可能和处在不同局域网中的某个人的IP 是相同的，如果和我处在同一个局域网中，我这个IP 就是唯一的。
- 公网IP 是唯一的。在相同局域网中的所有人的公网IP 是相同的。
- 这个就是NAT机制，通过NAT（网络地址转换）访问互联网时，所有局域网内的设备共享同一个公网IP，就可以用一个公网 IP 对应一系列的内网设备

示例：我的主机IP（私网）地址是：

使用IP地址查询工具，可以看到我的外网IP地址是：

和我处在同一个局域网中的所有人都是这个外网IP。

关于私网IP地址，当电脑插到路由器上，默认会通过DHCP协议，自动分配一个局域网IP（每次分的可能不一样）。当然，也可以手动配置IP，即静态IP。

在 NAT 背景下，网络通信如何进行的？

1️⃣同一个局域网下，设备A 访问设备B ，由于IP 本身不允许重复，自然不受任何影响，因此这种情况下，NAT 不起作用。

2️⃣公网设备A 访问公网设备B，由于公网IP 本身也不重复，也不受影响，NAT 不起作用。

3️⃣不同局域网中，设备A 访问设备B，是不允许的，NAT 机制禁止这样的访问。

简单来说，NAT（网络地址转换）的核心设计就像一道单向门，只允许内部设备主动向外连接，默认会拦截所有未经内部设备发起的"陌生"外部访问请求。
可以把NAT机制下的路由器比作一位严格的"小区门卫"。以下是几个核心原因：
🚪没有登记，门卫拒之门外：NAT设备的核心依据是"NAT会话表"，可以看作门卫手里的"登记簿"。当内网设备主动发起对外访问时（如A设备浏览网页），路由器会在表里记下对应关系，之后外部网站的回复数据才能被放行。但外部的设备B想直接访问A，因为没有这条"外出记录"，路由器无法确定请求要给谁，所以会直接丢弃数据包。
🔒设计初衷：缓解IPv4枯竭并实现安全隔离：NAT诞生于IPv4公网地址短缺的背景下，它允许多个内网设备共享一个公网IP上网，很大程度上缓解了地址不足的问题。与此同时，这种"只出不进"的设计也天然形成了一道防火墙，隐藏了内网细节，避免内网设备直接暴露在外部风险下。
🏠 相同的"楼栋号"导致寻址混乱：不同局域网常使用一样的私有地址范围（如设备A的10.x.x.x和设备B可能也一样）。这些地址在公网上是不可见的，它们只在各自网络内部有效，因此从外部直接访问A的10.x.x.x是不可达的。

4️⃣局域网设备A 访问公网设备B，这个时候，++NAT 就起了作用了++，需要进行网络地址映射。

示例：我想要访问淘宝：

1）NAT IP 转换过程

我发送了一个访问的请求数据包，其中 IP数据包中，记录我的主机IP（源IP）以及我要访问的淘宝服务器的公网 IP（目的IP）
经过路由器时，路由器在转发之前，触发了网络地址映射（NAT），将我的私网IP 192.168.100.98，替换成了公网IP 100.1.1.1 ，然后才能去访问 200.1.1.1

此时，和我在同一个局域网中，有另一个人也要访问淘宝：

那么，这个人也是一样的过程：

通过上述的图，可以清晰的看出，局域网中的若干个设备，公用一个公网 IP，本来一个设备一个公网 IP，不够用，但是若干个设备公用一个公网 IP，就够用了。在现实中，一个公网IP 背后代表着几千个，上万个局域网设备。

（当然，上述图只是简单画，可能一个私网IP 中间会经过多个公网IP，但是不是带有公网IP就一定触发NAT，也要看本来的源IP 是不是私网 IP）

问题：由于局域网中的IP 都是经过映射后，才发送出访问淘宝服务器请求数据报，那么++服务器返回响应++给我和另一个人，此时目的IP 都是相同的（100.1.1.1），如何正确返回呢？

网络通信中，涉及到五元组：源IP，目的IP，源端口，目的端口，协议类型。

通过 IP 区分不出来，那么可以根据端口号，来进一步区分。

（端口号位于IP 数据包的载荷部分中，即TCP/UDP数据包的报头中）

2）NAPT

局域网内, 有多个主机都访问同⼀个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的，那么NAT路由器可以通过 NAPT 判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机。

NAPT ------ 使用IP+port来建立这个关联关系。

如上图所示，通过端口号，就可以区分出是要将数据包转发给哪一个主机了。

其中，在路由器触发 NAT 地址替换的时候，自身会维护一个 "哈希表"结构，记录替换的映射关系

通过运营商路由器根据之前记录的NAT转换表，将目的IP 100.1.1.1 还原为 192.168.100.98，最终交付给局域网中的对应设备。

（如果在同一个局域网中，出现访问淘宝服务器的主机的端口号相同的情况，也是可以解决的，NAT 设备进行替换的时候，除了可以更改 IP，端口号也是可以修改的，到时候通过转换表记录替换前后的端口号就可以了，这样就能保证正常访问，而不会发生冲突

端口号，不仅可以用来区分，同一个主机上的不同程序，还可以用来区分不同主机上的不同程序）

5️⃣公网设备A ，尝试访问局域网设备B，是不允许的，NAT 机制禁止这样的访问。

如果想让外部向内部访问，通常需要借助外力：要让外网访问内网设备，就需要打破"单向门"。可行的方式：

一是使用内网穿透技术，让内网设备主动向外部的公网服务器发起连接，建立一个中转通道。
二是使用VPN（虚拟专用网络），在公共网络（如互联网）上，建立一个加密的、专用的"隧道"。
VPN 让你"住进"那个局域网；内网穿透只是给那个局域网里的某个服务开了一扇"公网侧门"。

上述的两种方式，不和 NAT 冲突，本质上都是借用其他的带有公网IP 的设备进行转发。

3）内网穿透

核心机制就是让外网请求通过一个"中间人"，反向拐进你的内网设备。

内网穿透的每一步操作，本质上都是绕开NAT（网络地址转换）对"外人禁止入内"的限制。

VPN 也是类似的过程。

4）IPv6

通过前面的内容，我们知道，解决 IPv4 IP地址不够用的问题：

动态分配 IP 地址
NAT 网络地址转换（主流方案）

除了上述这两种方案，其实有一个终极的方案 ------ IPv6。

IPv4 采用 4 个字节（32bit）作为 IP地址，而 IPv6 采用 16 个字节（128bit）作为 IP 地址。

128个比特位，IPv6 的地址总数为 2^128 个，这个数量极其庞大，足以给地球上的每一粒沙子分配一个独立的 IPv6 地址。

说回 IP 协议，介绍 IP 协议的主要工作。

④ 地址管理

一、网段划分

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

前半部分成为网络号，后半部分称为主机号
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

示例1：在同一个局域网中

（一般来说，电脑插到路由器上，就会自动获取一个合法的IP ------ DHCP技术，路由器也可以看作一个DHCP服务器，通过这种技术，可以避免手动设置IP的不便）

示例2：相邻局域网中

通常情况下，一台路由器至少有两个 IP 地址，分别对应它的不同网络接口：

内网 IP（LAN 口 IP）：这是路由器在家庭或企业内部局域网中的地址，作为网关，供内网设备配置默认路由。它属于私有 IP 地址。
外网 IP（WAN 口 IP）：这是路由器从运营商获取的地址，用于接入互联网。

而路由器中的这个两个IP，就是在不同的局域网中的，所有说，路由器的功能，就相当于把两个局域网连接在一起。

🅰️子网掩码

当然，一个IP地址中，哪部分是网络号，哪部分是主机号，是可以配置的，通过子网掩码配置。

子网掩码，就是当前网段的划分（划分网络号和主机号）方式。

还有一种以前的划分方式，就是把所有 IP 地址分为五类：

这个方案没有子网掩码，固定分成五类，使用前缀来区分是哪一类，每一类网络号和主机号都是固定的。

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

🅱️默认网关

主机号为 1（00000001）的 IP地址，例如，192.168.1.1 这个 IP 地址：

它在IP协议中，只是一个普通的IP地址，但是在实际组网中，通常会使用这个 IP 作为默认的网关IP，也是可以设置成其他的，不强制要求。

网关：就是网络的入口/出口
家庭网络中，网关一般就是路由器，大型的企业/网络结构，网关是一个单独的设备

二、特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全部设为0（即 00000000）, 就成为了网络号，代表这个局域网。例如，192.168.1.0 这个IP地址，就表示网络号。
将IP地址中的主机地址全部设为1（即 11111111）, 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。例如，192.168.1.255 这个IP地址，就表示广播地址。（往广播地址上发送数据包，就会被转发给局域网中的所有设备）
127.* 的IP地址用于本机环回 (Loopback) 测试，通常是127.0.0.1。无论你本机真实的IP地址是多少，都可以写成 127.0.0.1 作为代表。

⑤路由选择

IP 协议另一个主要工作。

路由选择，就是通过 IP 协议，进行数据转发的过程，在复杂的网络结构中，找出⼀条通往终点的路线的过程。

路由选择，其实就像 "问路" 的过程，人在问路的时候，通常是在路边找一个附近的人问，对于路由器也是一样，网络环境非常复杂，任何一个路由器，无法存储所有网络的信息，但是每个路由器，是可以知道附近的网络情况的（至少知道谁和它相连）。

当数据包到达某个路由器的时候，就会匹配这个路由器的 "路由表" ，路由表中就记录了这个路由器周围的设备的IP 是什么，以及也会记录每个设备要通过哪个接口转发过去。

如果目的IP 刚好匹配到了路由表中的记录，直接按照当前的对应接口转发过去就可以了
如果没有匹配到，路由表有一个特殊的表项，即 "下一跳"，下一跳地址，它指向的设备是离目的地更近、离当前设备更远的一台路由器，即下一个要经过的路由器接口，该接口可能在物理上更靠近目标路由器。

4.数据链路层

"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. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等。

① 以太网报文格式

源地址和目的地址 是指网卡的硬件地址，也叫MAC地址，长度是48位,是在网卡出厂时固化的
帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP。类型不同，载荷的数据格式就不同
帧末尾是CRC校验码

② 认识MAC地址

MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点
长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)
mac地址也可以作为一个电脑的身份标识

③ MAC地址和IP地址的区别

IP地址描述的是路途总体的起点和终点
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点;

④ MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制，这个限制是不同的数据链路对应的物理层产生的限制。

以太网帧中的数据长度规定最小 46 字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后⾯补填充位
最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同的网络类型有不同的MTU
如果⼀个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片
不同的数据链路层标准的MTU是不同的

⑤ ARP协议

ARP不是⼀个单纯的数据链路层的协议，而是⼀个介于数据链路层和网络层之间的协议。

ARP协议的功能是，根据IP地址，得到对应的MAC地址。即ARP协议建立了主机 IP地址和MAC地址的映射关系。

在网络通讯时,源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址
数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

工作流程

5. DNS 域名解析协议

DNS协议是一个应用层协议，是⼀整套从域名映射到IP的系统。

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，即通过 hosts 文件来实现IP 和主机名的映射。

例如，知道百度的域名，可以通过 ping 命令来知晓它的 IP地址：

通过 hosts文件来维护这些域名和IP地址的映射，太复杂了，因此，会把 hosts 文件中的内容提取出来，单独放到一个服务器上，这样的服务器就称为 DNS服务器。用户的电脑访问某个网站的时候，就会先查询 DNS 服务器，把域名对应 IP地址拿到，再真正访问服务器。