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前面学习了应用层和传输层应用层的作用是为用户和应用程序提供网络服务传输层的作用是提供端口到端口的通信服务。而网络层呢其作用就是为了在复杂的网络环境中确定一个合适的路径也就是在网络世界中找到目标主机。下面逐步介绍如何通过一个IP地址找到一台目标主机。
IP协议 协议报头格式 4位版本号指定IP协议的版本4表示的是IPv44位首部长度IP头部的长度单位是4字节4个比特位表示的最大数为15所以IP报头的最大长度为15*460个字节最小为5*420字节。加粗样式8位服务类型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.16 位总长度数据报整体占多少个字节16位标识唯一标识主机发送的报文也就是说每一次发送的报文的标识符都唯一。如果IP报文在数据链路层被分片了那么每一个片里的标识符都是相同的标识它们属于同一个报文。3位标志字段第一位保留。第二位置1表示禁止分片此时如果报文长度超过MTU,IP模块就会丢弃报文。第三位置1表示有更多分片如果分片最后一个分片置为 0, 其他是 1. 类似于一个结束标记。13位片偏移表示数据包分片在原始数据包中的位置以8字节为单位。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。接收方收到被分片的IP报文后按照13位偏移量就可以将所有的分片排序这样得到的整个报文就是正确的顺序。8位生存时间数据到达目的地后的最大报文跳数一般是64。每经过一个路由器TTL值减1直到到达目的地或变为0时丢弃数据包。 主要用于防止出现路由循环。8位协议表示传输层使用的协议类型例如ICMP为1TCP为6UDP为17。16位校验和使用 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: 表示发送主机和接收主机.选项字段(不定长, 最多 40 字节)。
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网络号用来标识网络中的某一个子网主机号则是用来标识该子网中的某一台主机。更简单的网络号指的是的一段范围主机号指的是这段范围内的某台主机。
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
DHCP技术通过服务器与客户端之间的交互实现了IP地址和其他网络配置信息的动态分配。 工作原理 DHCP的工作原理通常包含四个步骤发现、提供、请求、确认。
发现当设备手机或者电脑加入网络时它会广播一条DHCP发现消息寻找可用的DHCP服务器。提供DHCP服务器收到发现消息之后会准备一个包含可用IP地址和其它网络配置如子网掩码等的DHCP提供消息并将这个消息发送给请求的设备请求设备可能收到多个提供消息会从中选择一个并发送一个DHCP请求消息给对应的DHCP服务器确认接受该服务器提供的IP地址等信息。确认DHCP服务器收到上面的请求后再发送一个DHCP确认消息给你的手机正式分配IP地址设备收到后就可以正式连接网络了。
简单来说就是DHCP,能够自动的给子网内新增主机节点分配 IP 地址。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 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;显然这种分类方式不太灵活。
针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR
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 其中IP地址中的主机地址全0表示的就是这个局域网本身全1就表示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。
此外 127.*的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试,通常是 127.0.0.1
关于本地环回地址 主要用于本地网络接口的测试和诊断。其实就是自己发送数据给自己中间并没有经过局域网和其他网络。 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, 减少了浪费可以根据主机数量来增加主机号的位数
IP地址的数量限制
IPv4下的IP地址只有32位大概就是43亿左右。假设每台主机都要有一个唯一的IP地址那么就意味着一共只有 43 亿台主机能接入网络事实上由于一些特殊的 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 虽然在一定程度上缓解了 IP 地址不够用的问题但仍然不够用. 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 技术通过允许多个内部设备共享一个或多个公共IP地址来访问互联网从而节省了公网IP地址的使用。也就是说不同的局域网中IP地址可以是一样的。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
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 公网上, 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); 上图中的WAN口IP就是路由器所在网络的地址
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 可以是一样的(通常都是 192.168.1.1). 子网内的主机每一个家用路由器, 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.家用路由器的WAN口地址通常是运营商的子网IP地址运营商的WAN口地址通常就是公网。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.
LAN和WAN
LAN口地址和WAN口地址在路由器中扮演着不同的角色分别用于局域网LAN和广域网WAN的连接与通信。注意局域网和广域网的概念是相对的我们认为一个路由器的子网可以是称为一个局域网路由器“外面”的网络可以称为广域网但路由器又可能处于运营商路由器的子网构建的局域网中。 LAN口地址通常用于局域网内部的设备之间的通信WAN口地址即广域网接口地址是路由器从互联网服务提供商ISP处获得的公网IP地址。这个地址用于路由器与外部网络如互联网之间的通信。
路由
路由其实就是利用目的IP在复杂的网络中找到目标主机这个过程类似于问路。 通常路由的过程会经过多个路由器我们把在以太网中指从源 MAC 地址到目的MAC 地址之间的帧传输称为一跳。 当IP数据包到达路由器时路由器会先查看目的IP。路由器维护了一张路由表表中有着与该路由器所处同一个网络中的其它路由器的IP地址以及子网掩码。如果目的IP与该表中的某个子网掩码与上之后恰好等于其对应的网络号那么说明这个IP数据报下一跳就去该路由器的子网中继续找。如下图所示。
在linux中路由表可以使用route指令查看 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即default,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。
