目录网络层的定位IP的构成IP报头4位版本4位首部长度8位服务类型16位总长度8位协议16位首部检验和8位生存时间32位源IP与目的IP网段划分私有IP和公网IP路由IP分片和组装16位标识3位标志13位片偏移网络层的定位IP协议是网络层最经典的协议IP提供了一种能力把数据从A主机跨网络送到B主机的能力而传输层(TCP)提供的能力是将数据从A主机跨网络可靠地送到B主机的策略和方案总结一下传输层提供的是指导方案是理论决策网络层是执行者角色传输层提供的是可靠性方案并不意味着每次跨网络传输数据都能完全可靠地到达~可靠地跨网络传输毕竟再厉害的人也会有失误再顶级的程序员也会写bug~IP的构成你家在陕西要去重庆解放碑旅游你现在在陕西境内问路肯定不会直接问解放碑怎么走而是先问重庆怎么走等你到重庆后才会问当地人解放碑怎么走~网络中报文的转发也是如此先确定报文到哪个目标网络到达目标网络后再确定到达哪个主机因此IP地址也是由两部分构成的IP 目标网络 目标主机IP报头4位版本指定IP协议的版本对于IPV4来说就是44位首部长度4位首部长度标识的是IP报头的长度取值范围[00001111]最大值是15单位长度依旧是4字节报头的最大长度为15*460字节选项最大是60-2040字节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16位总长度标识整个IP报文的长度有效载荷 16位总长度 - 4位首部长度就可以将报头和有效载荷分离因此IP报文报头和有效载荷分离采取的是自描述字段8位协议不同的协议在内核中有不同对应的数字8位协议表示的是上层协议的类型可以做到向上交付16位首部检验和使用CRC进行校验来鉴别头部是否损坏8位生存时间光电信号在网络中是会衰减的因此网络中存在一种设备叫做集线器是用于放大信号的因此两个主机相隔非常远也照样能收到对方的消息网络是人搭建的是人参与的就一定会有 bug这就可能导致有些报文在网路中转发的时候一直在转圈圈也就是出现了环路一直无法抵达目的地一直不会消散一直消耗网络资源8位生存时间指的是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32位源IP与目的IP我们在 socket 编程时为啥定义的是4字节IP呢就是因为在IP报头中IP字段是32位的socket IP(网络层) port(传输层)网段划分IP是被精心设计过的IP 网络号 主机号现实生活中学号也是精心设计过的不同学校的学号设计规则可能不太一样但一定是有规律的比如学号的开头几位可能是入学年份/年级、中间是学院编号、最后是学院内学生编号我们此处简化逻辑认为学号由两部分构成学号 学院号 院内学生号这种设计使得 学号具有唯一性 具有很强的指向性不仅能唯一标识一个学生还能顺藤摸瓜找到该学生~举个例子现在有6个学院编号依次为01-06每个学院有很多学生每个院有自己的院群学生的学号遵循上文所述规则每个学院都有一个院学生会主席这些院学生主席也拉了一个群~有一天张三捡到了一个钱包钱包中有学生证但只能看到学号06321张三要根据学号将钱包物归原主。张三一看学号是06321一看开头数字是06肯定知道不是自己学院的于是在群里计院学生会主席并将自己的电话给了学生会主席计院主席在学生会主席群里其他学院学生会主席机械学院的学生会主席一看学号06开头是机械学院的于是在自己的院群里问了一下321是哪个学生于是找到了李四李四打通了张三的电话最终拿到了钱包各个学院本质是一个个子网院学生会主席本质是路由器院学生会主席之间组建的群叫做公网06321的06本质就是网络号321本质是主机号当报文到达目标网络之前只关心网络号归还钱包本质是在查找学生如果直接线性遍历所有的学生效率太低因为一次只能淘汰一个学生而通过精心设计了学号一次可以淘汰一个学院/多个学院的学生效率大大提高总结网段划分是运营商来做的目的就是提高在全网中定位主机的效率如何进行网段划分呢上图中有两个子网两个子网的IP的前24位用于网络标识后8位是主机标识不同的子网IP的网络标识必然是不一样的不同的子网内可以出现相同的主机标识同一个子网的不同主机主机标识必然是不同的路由器横跨了两个子网配有两个子网的网络标识的IP地址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A类 0.0.0.0 到 127.255.255.255B类 128.0.0.0 到 191.255.255.255C类 192.0.0.0 到 223.255.255.255D类 224.0.0.0 到 239.255.255.255E类 240.0.0.0 到 247.255.255.255随着Internet的飞速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6万五千多个主机A类地址的子网内的主机数更多但是实际网络架设中不会存在一个子网内有这么多主机的情况因此大量的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):CIDR引入一个额外的子网掩码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类无关按照传统的划分方法0000 0011 [24位主机号] 属于A类IP地址主机号是后面24位那么该网段内可以有 2^24 IP地址可是压根没有这么多的主机造成了IP地址的浪费我们可以再将24位主机号中的8位再拿出来作为网络号进行进一步的细分0000 0011 0000 0001 [16位主机号]0000 0011 0000 0010 [16位主机号]0000 0011 0000 0011 [16位主机号]......由于将前16位作为网络号那么子网掩码就是 255.255.0.0子网掩码的本质就是为了提高分类划分法IP的利用率下面举两个划分子网的例子例1例2IP 140.252.20. 0100 0100掩码255.255.255.1111 0000 后4位是主机号能表示的主机最多是15个: 140.252.20. 0100 0000 - 140.252.20.64IP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(loop back)测试通常是127.0.0.1IP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(提搞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(下文会重点介绍)• 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和公网IP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个地址换句话说在所有的IPV4地址中划分出一部分IP地址作为私有IP私有IP只能构建子网不能出现在公网上那局域网是谁来组建的呢是家用路由器家用路由器不仅有路由功能还有组建局域网的功能如上图所示家用路由器在出厂的时候就分配了私有IP(子网IP)网络号就已经确定了在家用路由器下使用相同的网络号分配给家里上网的主机不同的家用路由器的子网IP是完全可以相同的并且不同的子网内家庭端也可以出现完全相同的IP地址这就变相增加了IP地址的绝对上限了我们国家整个网络基础设施都是由三大运营商搭建的农村现在也能上网是因为运营商将网络下沉了因此家用路由器一端连接的是家庭端(LAN口)另一端连接的是运营商路由器(WAN口)家用路由器的本质就是运营商路由器搭建的子网的其中一个主机节点而运营商路由器的WAN口搭建的是一个公网IP运营商做了基础设施建设因此家用路由器上网必须经过运营商企业路由器的转发因此我们上网的流量费都是交给了运营商欠费了/访问非法网址运营商就能直接拦截你上网家庭端的主机是如何将数据发送到公网主机的假如家庭端的一个主机发送了一个报文 src192.168.1.201dst122.77.241.3data获取一个短视频主机对比 dst 和 自己所在的网络地址知道这个报文不是发给自己所在网络的于是交给了家用路由器家用路由器继续对比dst与自己的WAN口IP发现和WAN口IP所在的网络也不同于是继续交付给运营商路由器运营商路由器继续对比发现dst和自己的WAN口IP处于同一个网络于是就发送到了公网中最终到达了目标主机目标主机要将短视频推送给src主机于是封装报文src122.77.241.3dst192.168.1.201data短视频内容此时就有问题了几个子网内都有 IP为 92.168.1.201 的主机不知道如何转发了并且子网ip是绝对不能出现在公网上的那真实的报文从内网到公网的过程是怎样的呢报文在从内网转发到外网时路由器会自动进行内网IP替换自动用路由器的WAN口IP替换掉继续用刚才的例子假如家庭端的一个主机发送了一个报文 src192.168.1.201dst122.77.241.3data获取一个短视频到达家用路由器后家用路由器将报文转出去之前将src 替换为自己的WAN口IPsrc10.1.1.2然后转发给运营商路由器运营商路由器将报文转出去之前将src 替换为自己的WAN口IPsrc122.77.241.4最终到达目标主机目标主机回应报文时src122.77.241.3dst122.77.241.4于是根据 dst 就可以顺利的从公网转发到公网到子网的出入口路由器(运营商路由器)至于在内网中最终如何到达目标主机我们下文讲解NAT技术时详细讲解理解公网真实的网络结构非常复杂既涉及到划分公网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认为全球范围内的IP地址是按照国家划分的简单理解公网即可。如上图所示首先是国家申请IP地址将前8个比特位用于标识国家的网络号给俄罗斯分配1.0.0.0美国分配 2.0.0.0依次类推每个国家配有一个国际路由器俄罗斯的国际路由器WAN1口IP地址为 1.0.0.1美国的国际路由器WAN1口IP地址为 2.0.0.1依次类推将所有的国际路由器组建国际骨干网络类似于所有的学生会主席建立一个群然后所有的路由器在该网络内广播自己的网络号、IP地址这个过程叫做路由条目交换算法这样所有的国际路由器都建立了路由表条目如图所示的网络地址、子网掩码、下一跳地址、以及相关说明这就完成了第一次子网划分每个国家又有很多区域可以进一步子网划分以我们国家为例再来8个比特位进一步将5.0.0.0网络进行子网划分比如5.1.0.0 代表陕西、5.2.0.0代表河南...以此类推每个省份配有一个省间路由器陕西省的路由器的WAN1口IP地址为5.1.0.1河南省的路由器的WAN1口IP地址为5.2.0.1...以此类推将所有的省间路由器组建国内骨干网络然后进行路由条目交换算法(包括中国的国际路由器的WAN2口)此时中国的国际路由器中就不仅有其他国家的网络信息了还有国内各个省份的网络信息了完成第二次子网划分了陕西省还有各个市再拿出6位继续进行第三次子网划分...俄罗斯内的主机访问 5.1.16.x的过程IP地址不是1开头的不是发给自己国内的于是转发到俄罗斯的国际路由器该路由器根据路由表将该IP地址与每一条路由项的子网掩码按位与发现是要发往中国的于是转发到下一跳地址5.0.0.1到达中国的国际路由器该路由器查找路由条目发现和5.1.0.0匹配发现是发给陕西的于是转发给下一跳地址5.1.0.1...再重复一次这个过程报文最终到达西安的出入口路由器总结我们这个网络是精心设计过的根据目标IP能找到目标主机不是因为IP本身而是网络拓扑结构决定的是子网划分和路由配置决定的路由路由就是在复杂的网络结构中找到一条通往终点的路线。路由的过程就是”一跳一跳“问路的过程所谓一跳就是数据链路层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的当IP数据包到达路由器后路由器先查看目的IP路由器决定这个数据包是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发送到哪里呢这就依靠每个节点内部维护一个路由表如果目的IP命中了路由表直接转发即可路由表的最后一行主要由吓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他行都不匹配时就按缺省路由条目规定的接口发送下一跳地址假如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标志标志此条目有效(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 是与eth1接口直接相连的网络, 因此可以直接发送到目的主机, 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接口发送出去, 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IP分片和组装事实网络层交付给数据链路层的报文长度(也就是数据链路层的有效载荷)不能超过1500字节MTU最大传输单元如果网络层交付给链路层的报文长度超过了MTU就要进行分片也就是将一个报文拆成多个片段再交付给数据链路层最后发送到网络中对端网络层收到了分片的IP报文就要进行组装组装好了之后再将整个完整的报文交付给上层的传输层IP分片和组装的整个过程传输层是不知道的也不需要知道16位标识唯一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16位标识都是相同的3位标志第一位保留(保留的意思是现在不用但是还没想好说不定以后要用到)。第二位为1表示禁止分片这时候如果报文长度超过MTUIP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位片偏移是分片相对于原始IP报文开始处(以IP报文的有效载荷开始处)的偏移其实就是在表示当前分片在原始报文中处在哪个位置比如IP报文的有效载荷是3000字节因为每个分片都要携带IP报头的我们认为报头不携带选项是标准的20字节那么需要分3片第一片报头20字节有效载荷1480字节第二片报头20字节有效载荷1480字节第三片报头20字节有效载荷40字节第一片13位片偏移为0第二片13位片偏移为1480第三片13位片偏移为2960分片和组装需要解决哪些问题呢1.一个报文超过MTU被分成了多片有的报文没有超过MTU没有分片都发送到网络中了对端主机如何知道哪些报文是分片的报文哪些报文是没有分片的报文答所有分片的报文除了最后一片其他分片3位标志的第三位都是1而完整报文和分片报文的最后一片的第三位都是0但是分片报文的最后一片片偏移不为0因此判断一个报文是否分片了if(更多分片 1 || 片偏移 0) return 分片了else return 没有分片2.可能有多个报文都进行了分片如何知道哪些分片是属于哪一个报文的答16位标识相同的就是同一个报文3.能够知道哪些报文分片了如何能完整收集并组装所有分片的呢答已经能判断某一个报文是否分片了只要拿到了一个分片了的报文立马提取16位标识找出所有相同16位标识的报文如果这些报文中没有片偏移为0的报文说明第一个分片丢了直接丢弃整个报文如果没有更多分片为0的报文说明最后一个分片丢了直接丢弃整个报文如果第一片和最后一片都没有丢将剩余的报文按照13位片偏移数字排序就可以判断中间是否有分片丢失以及组装出整个报文分片丢失问题注意如果某个报文的某个分片丢了IP层是做不到只重传某个分片的对端主机会将该报文的其他分片都丢弃了要重传就要将所有的分片都进行重传分片会导致丢包的概率增加比如网络条件相同的情况下一个报文丢失的概率是固定的而将一个报文拆成了很多分片那么只要有1个分片丢失了整个报文就认为丢了变相增加丢包概率因此分片绝不是IP通信的主流13位片偏移 vs 16位报文总长度16位报文总长度最大能表示 2^16-1 65535 字节长度的报文而13位片偏移最多能表示 2^13 8192 个不同的数字这不就意味着报文长度超过了 8192 了有些分片的片偏移是无法用13位表示的嘛实际上13位片偏移在存储的时候存的是实际偏移的字节数 / 8相当于每8个字节是一个偏移单位实际存储的是偏移的单位数对端主机在提取时将偏移的单位数 * 8就是实际偏移的字节数 8192 * 8 65536相当于用13位长度表示了16位的数字要不要分片是IP层决定的嘛IP的有效载荷是来自传输层的要不要分片不是IP层说了算的而是传输层决定的数据链路层报文有效载荷最大是1500字节倒逼网络层报文有效载荷最大是1500-201480倒逼传输层报文有效载荷最大时1480-2014601460也就是MSS(最大段尺寸)的值