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前言
IP协议
基本概念
IP协议格式
分片
16位标识
3位标志与13位片偏移
分片流程
网段划分
网络号和主机号
DHCP协议
CIDR划分方案
特殊的ip地址
ip地址数量限制
私有ip地址与公网ip地址
路由转发 前言 我们前面讲了HTTP/HTTPS协议和TCP/…
目录
前言
IP协议
基本概念
IP协议格式
分片
16位标识
3位标志与13位片偏移
分片流程
网段划分
网络号和主机号
DHCP协议
CIDR划分方案
特殊的ip地址
ip地址数量限制
私有ip地址与公网ip地址
路由转发 前言 我们前面讲了HTTP/HTTPS协议和TCP/UDP协议分别对应四层模型中的前两层应用层和传输层现在我们该讲解第三层网络层该网络层用到的协议是IP协议. 在应用层我们解决的是数据如何使用的问题在下三层我们需要解决的是如何将数据可靠的从A主机发送到B主机。 TCP协议解决的是数据传输可靠性问题而IP协议解决的是将A主机发送到B主机的能力。如何连把A主机的数据送到B主机的数据的能力都没有何谈可靠呢所以我们使用到了IP协议提供一种能力将数据从A主机送到B主机。
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。
如图从主机B到主机C它是由路由器一跳一跳的送往目的主机的而具体是调到哪一个路由器这便是对方的IP地址决定的后面会细讲。
IP协议格式 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.4位首部长度(header length):不包含数据的报头大小。 和TCP的4位首部长度一样 4bit表示最大的数字是15,但单位是4字节 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(包含数据).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 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(当路由器接收到一个数据包时它会根据路由表选择下一跳并将数据包转发给下一跳路由器。如果路由表配置不正确或存在环路路由器可能会错误地选择一个跳转路径导致数据包在网络中循环转发。).8位协议: 表示上层协议的类型TCP/UDP.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.这也可以解释为什么IPv4中ip是四个字节了因为有32个比特位选项字段(不定长, 最多40字节): 略 这里还是要解决最基本的两个问题
1.如何解包 (将报头和数据分离) 定长报头自描述字段先提取固定长度20字节的报头再根据报头中的4位首部长度得出报头(不包含数据)的总长度(4*4位首部长度)然后减去20字节就是选项的长度【得到报头】然后再用16位总长度得出该数据报的总长度减去4位首部长度 得出的长度即是数据的长度【得到数据】。
即有效载荷 16位总长度 - 4*4位首部长度。
2.如何向上交付分用 根据报头中的8位协议来决定交付给上层的TCP或者UDP. 分片
那第二行这16位标识3位标志13位片偏移是什么呢 链路层由于物理特征的原因一般无法转发太大的数据。 所以 链路层一般有一次可转发到网络的报文大小限制。所以我们需要对数据进行分片分片工作是在该层网络层实现的。传输到对方网络层时它再进行组装。 即谁分片谁组装。 所以接收方对于分片的组装、处理会有以下四个问题需要处理
1.如何识别不同的报文2.如何识别报文有没有被分片3.如何识别被分片的报文从哪里开始从哪里结束4.异常处理组装过程中如何识别某一个分片的丢失
所以下面的就几个字段就是来解决这些问题的.
16位标识
1.如何识别不同的报文 当我们收到很多的报文时(已经被分片)我们如何确定哪些分片是属于同一个报文里哪些是不同的呢 我们想到的是不同报文应该标识不同相同报文的分片标识应该是相同的. 16位标识字段是一个16位的字段用于标识原始数据包。当原始数据包在发送过程中需要分片时每个分片都将包含相同的标识值以便接收端能够识别这些分片属于同一个原始数据包。 3位标志与13位片偏移 3位标志Flags字段标志字段是一个3位的字段其中包括以下三个标志位 第一个标志位Reserved保留位以后用于其他用途目前应该设置为0。第二个标志位Dont FragmentDF如果此标志位被设置为1表示数据包不允许分片即不能在传输过程中进行分片。如果数据包在传输过程中需要分片但DF标志被设置那么路由器将丢弃该数据包并向源主机发送一个 错误消息。第三个标志位More FragmentsMF如果此标志位被设置为1表示该分片不是数据包的最后一个分片。如果被设置为0表示这是最后一个分片。 2.片偏移Fragment Offset字段片偏移字段是一个13位的字段用于指定当前分片在原始数据包中的位置。它表示了当前分片的数据在原始数据包中的偏移量以8字节为单位。通过片偏移字段接收端可以将不同分片按正确的顺序重新组装成完整的原始数据包。 例如一个24字节的数据它会被分片为3分。第一个分片片偏移为0第二个分片的片偏移为8第三个分片片偏移位16. 现在可以解决一下刚才的问题2.如何识别报文有没有被分片 a.如果3位标志位 第三位标志位 为1说明该报文一定被分片了。 b.如果3位标志位 第三位标志位 为0说明该报文是最后一个分片或者没有被分片。
如何区分呢当3位标志位 第三位标志位为0时此时的13位片偏移不为0说明该报文一定被分片了(因为该分片一定是最后一个如果分片了那么该分片片偏移一定不为0)如果13位片偏移为0说明这就是一个独立的报文没有被分片。 3.如何识别被分片的报文从哪里开始从哪里结束
按照我们上面讲的
如果3位标志位 第三位标志位 为1而且片偏移为0说明此时是分片的开始
如果3位标志位 第三位标志位 为1 而且片偏移为0说明此时是分片的中间部分
如果3位标志位 第三位标志位 为0而且片偏移为0, 说明此时分片是结尾 4.异常处理组装过程中如何识别某一个分片的丢失 根据每个分片的偏移量进行升序排序结合偏移量自身大小 下一个报文的偏移量。 扫描整个报文如果没有与下一个报文偏移量匹配的则说明中间一定有丢失的分片如果可以正常计算匹配到结尾则说明报文一定收取完整了。 分片流程
首先我们要知道分片之前一定是一个独立完整的ip报文分片之后每一个分片都必须也要有一个ip报头因为分段信息(16位标识3位标志13位片偏移等)都在报头中。而不可以直接进行分片报头跟着第一个分片。
所以假设有一个16位总长度为3000字节的ip报文而链路层MTU设置为1500字节所以需要对数据进行分片。 首先进行第一个分片假设16位标识为1234它的3位标志中的更多分片 必须设置为1此时由于是第一个分片所以片偏移为0加上原本的报头该ip报文16位总长度此时为1500. 接下来还剩下1500个纯数据如果我们直接提取这1500个数据然后再添加20字节的报头此时ip报文总大小就成了1520了大于链路层的最大限制的1500字节了。 所以只能提取前1480个字节然后再添加上20字节的报头此时16位标识为1234它的3位标志中的更多分片 也必须设置为1此时是第二个切片片偏移为前ip报文的长度1500加上新增加的报头(注意第一个分片是携带原本的报头这个是新加的)该ip报文16位总长度此时为1500. 由于上一层只提取了1480个字节还剩下20个字节的数据我们需要对这20字节的数据添加20字节的报头此时16位标识为1234它的3位标志中的更多分片 设置为0(最后一个分片)。 片偏移为上一个ip报文的长度1480 第一个报文的长度1500 2980该ip报文16位总长度此时为40. 至于偏移量你可以理解为计算的时候只有第一个报头算进去其它的报头都是新增的长度不计入偏移量中。
但是分片操作使我们严重不推荐的因为分片会增加丢包的概率。如何彻底结局分片问题呢后面我们在链路层会说.
网段划分
网络号和主机号
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
可以在IP地址最后面加上一个 // 后面加一个数字代表从头到第几位属于网络标识(网络号). 例如192.168.128.10/24代表从头到第24位属于网络标识即“192.168.128”后面的10属于主机号. 举个例子只是假设我们把ip前8位作为世界各个国家的ip开头假设中国为1美国为10然后在中国国内第二个8位再作为划分省的标识。例如河北省为1北京为2天津为3..然后后面再按照相对应的县市等进行比特位划分。 此时在国家层面1和10这些便算做网络号即前8位后面的24位算作主机号然后在省的层面1,2,3这些加上前面8位(1)一共16位便是网络号后面16位便是主机号以此类推. 其实每个国家的IP地址在开始的时候就已经被划分好了国际上的路由器都有自己的路由表可以进行国家和国家的转发 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.
DHCP协议 手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收便于分配给后续新增的主机使用。 DHCP协议解决了计算机网络中的IP地址分配和配置问题, 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.
先找目标网络再找目标主机 当数据需要从一台主机跨越网络发送到另一台主机时通常并不是立即将数据发送到目标主机而是将数据首先发送到目标主机所在的目标网络然后再在该网络内部找到目标主机。 这个过程的第一步并不是寻找目标主机而是找到目标网络。这样的设计是为了提高路由效率。如果一开始就以找目标主机为目标那么在查找过程中每次只能排除一个主机这样效率会很低。相反如果首先找到目标网络就可以一次性排除大量不在目标网络内的主机从而显著提高检索效率。 因此网络被划分成多个子网也称为网段或子网络以帮助路由器更快地确定数据包的目标位置。这种分层的方式使路由器能够更快速地决定数据包的下一跳并将其发送到正确的网络然后再在该网络内部找到目标主机。这种数据路由的方式被称为分层路由它有助于提高整个互联网的性能和效率。 至于网络是如何划分的呢
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案就是把所有IP地址分为五类如下图所示 因此各类IP地址的取值范围如下
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。 当要判断一个IP地址是属于哪一类时只需要遍历IP地址的前五个比特位第几个比特位最先出现0值那么这个IP地址对应就属于A、B、C、D、E类地址。 随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,由于A类地址只能申请2^7个数量比较少所以大多数组织都申请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):
CIDR划分方案 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 此时一个网络就被更细粒度的划分成了一个个更小的子网通过不断的子网划分子网中IP地址对应的主机号就越来越短因此子网当中可用IP地址的个数也就越来越少这也就避免了IP地址被大量浪费的情况。 比如在某一子网中将IP地址的前24位是网络号那么该网络对应的子网掩码的32个比特位中的前24位就为1剩下的8个比特位为0该掩码表示就是255.255.255.0。 假设该子网中有一台主机对应的IP地址是192.168.128.10那么将这个IP地址与该网络对应的子网掩码进行“按位与”操作后得到的就是192.168.128.0这就是这个子网对应的网络号。 实际在用子网掩码与该子网主机的IP地址进行“按位与”操作时本质就是保留了主机IP地址中前24个比特位将剩下的8个比特位的值清零即将主机号清0了所以“按位与”后的结果就是该网络对应的网络号。 第一个例子就是将ip地址140.252.20.68的每一位 按位与 255.255.255.0最终得到140.252.20.0.
第二个同样地道理将68最后一位转化成二进制是01000100然后按位与240转化成二进制是11110000按位与时01000000转换成16进制是4010进制就是64符合我们的预期 特殊的ip地址
不是所有的ip地址都可以作为主机的ip有些ip本身都具有特殊用途。
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
ip地址数量限制 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. 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在一定程度上提高了ip地址的利用率但是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避免了IP地址强绑定于某一台设备。NAT技术NAT(Network Address Translation)是一种网络技术用于将私有网络内部的设备与公共互联网之间的通信进行管理和映射。它允许多个设备在一个私有网络中使用共享的公共IP地址与外部网络通信同时提高了网络的安全性和管理灵活性。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地址与公网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个地址我相信我们经常见到的就是这个开头的. 包含在这个范围中的, 都成为私有IP(内网ip), 其余的则称为全局IP(或公网IP);
当我们xshell连接云服务器时 可以看到我的连接的云服务器的公网ip是182.42.111.236然后一个公网下还会有很多子网我们使用ifconfig命令可以查看。 可以看到我的内网ip是10.0.0.110属于上面所说的10.*标准。 当然世界上还有很多和我一样是10.0.0.110的内网ip但是我们的公网ip一定是不一样的. 同时我们可以按下WinR输入cmd进入命令控制行输入ipconfig便可以看到我们的主机的内网ip. 一般来说默认网关的地址都是*.1 即在当前子网内的主机号的第一位它(网关)是用于连接不同网络的设备或系统。网关充当数据包从一个网络传输到另一个网络的中继点它能够理解不同网络之间的协议和数据格式以确保数据能够正确地转发和路由。 数据是如何发送到服务器的
既然我们是内网ip那么我们的数据是如何一步步发送到服务器的呢
首先我们要知道路由器是连接两个或多个网络的硬件设备在路由器上有两种网络接口分别是LAN口和WAN口.
LAN口Local Area Network表示连接本地网络的端口主要与家庭网络中的交换机、集线器或自己的电脑相连。WAN口Wide Area NetworkWAN口是指网络设备上用于连接广域网的接口。一般指互联网。
可以说LAN口是负责本地这些网络设备的通信而WAN口是负责对接上一层子网。 在大多数家庭和小型办公环境中常见的路由器通常具有一个WAN口和多个LAN口。WAN口用于连接外部互联网而LAN口用于连接局域网中的设备。WAN口通常是通过各种宽带接入技术如光纤、DSL或同轴电缆与互联网连接的而LAN口通常是以太网接口用于连接设备到局域网。 这张图可以助于大家理解看左边这一部分家用路由器的LAN口相当于是192.168.1.1(用于本地通信)他们的WAN口是相当于是运营商路由器的子网10.1.1.*
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的WAN口IP就是一个公网IP了。
所以是这样将数据发送到服务器的 由于私网IP不能出现在公网当中(因为私网IP会有很多重复的)因此为了解决这个问题子网内的主机在和外网进行通信时路由器会不断将数据包IP首部中的源IP地址替换成路由器的WAN口IP这样逐级替换最终数据包中的源IP地址成为一个公网IP这种技术称为NATNetwork Address Translation网络地址转换。 按上面的例子假设某一台主机192.168.1.201想要访问服务器122.77.241.3. 此时发送的ip报文中源ip地址为192.168.1.201目的ip地址为122.77.241.3. 经过家用路由器时将源ip替换为它的WAN口ip10.1.1.2目的ip为122.77.241.3. 再经过运营商路由器时再将源ip替换为它的WAN口ip122.77.241.2目的ip为122.77.241.3. 此时便成功通信了目的ip将结果返回回来时还是先返回给122.77.241.2然后后面是如何解决下一步去哪里的问题是链路层要解决的问题我们后面再说。 那两个不同局域网中主机可不可以 不跨越公网通信
两个局域网当中的主机理论上是不能不跨公网进行通信的因为一个主机要将数据发送给另一台主机的前提是得先知道另一台主机的IP地址。即便现在这个主机知道了另一台主机的IP地址但有可能这两台主机的IP地址是一样的因为它们的IP地址都是私网IP地址。当这一台主机发送数据时将目的IP地址填成和自己相同的IP地址操作系统就会认为这个数据就是要发给自己的而不会向外进行发送了。 所以数据要从一个局域网主机发送到另一个局域网主机如果不经过公网是基本上不可能的。我们在和别人聊天的时候也不是直接将数据从一个局域网直接发送到了另一个局域网而是先将数据经过公网发送到了服务器然后再由服务器将数据经过公网转发到了另一个局域网。 但现实确实存在一些技术能够使数据包在发送过程中不进行公网IP的替换而将数据正确送到目标主机这种技术叫做内网穿透也叫做NAT穿透。
路由转发 路由的过程, 就是“数据问路”的过程. 数据在路由的过程中是一跳一跳经过路由器到达目的主机的。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或子网;依次反复, 一直到达目标IP地址(主机). 针对于第二点会有三种情况 路由器经过路由表查询后得知该数据下一跳应该跳到哪一个子网。路由器经过路由表查询后没有发现匹配的子网此时路由器会将该数据转发给默认路由。路由器经过路由表查询后得知该数据的目标网络就是当前所在的网络此时路由器就会将该数据转给当前网络中对应的主机。 举个例子假设你第一次到了某个地方假设你想要去寻找河北大学此时下了火车站钱包什么的也被偷了迫不得已只能先找个人问路那个人说先到前面那个十字路口然后左转再问别人此时这个人相当于一个路由器他告诉你下一跳的位置并不是目的位置。由于我们的目的位置是学校宿舍所以相当于决定是 发送给了下一个路由器。所以到了十字路口左转后然后又问了一个人那个人说不用找了前面就是河北大学然后你要找的宿舍是进门左转就看到了这样相当于是路由器 直接发送给目标主机了。而不用继续发送给下一个路由器了。 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。 路由表查询的过程 路由表可以使用route命令查看 由于这是个人电脑不是路由器所以展示的不是很完全。
其中
Destination 代表的是目的网络地址。Gateway 代表的是下一跳地址。Genmask 代表的是子网掩码。Flags中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。如果G标志未设置则下一跳地址被认为是数据包要到达的目标主机的地址。 H标志 这个标志指示路由项是用于特定主机的而不是用于整个网络或子网。当H标志置位时路由器会将数据包直接发送到指定的目标主机而不需要进一步进行路由选择。这种路由项通常用于处理特定主机的数据包以提供更精确的路由。
Iface代表的是发送接口。 当IP数据包到达路由器时首先将报头中的目的IP地址 和子网掩码Genmask进行“按位与”操作然后将得到的结果与目的网络地址Destination 作比较如果匹配则说明该数据包下一跳就应该跳去这个子网此时就会将该数据包通过对应的发送接口Iface发出。 如果整个路由表都没有结果与其匹配即没有找到匹配的目的网络地址此时路由器就会将这个数据包发送到默认路由也就是路由表中目标网络地址中的default。可以看到默认路由对应的Flags含有G标志实际就是将该数据转给了另一台路由器让该数据在另一台路由器继续进行查找路由。 这样数据包经过不断地路由后便达到了目标主机所在的网络然后根据主机号进行路由便能到达目标主机了。
举个例子
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下 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 此时数据的在网络中是如何解决下一跳位置的问题便解决了那么具体是每一条是如何做到的呢我们下一章数据链路层便会详细介绍。
