JavaWeb~IP协议(Internet Protocol, 网际互连协议）的网络划分(NAT技术)与路由选择
文章目录
- IP协议简介(了解)
- 主要功能
- IP协议报头格式
- 网段划分
- IP地址的数量限制
- NAT技术
- NAPT
- 私有IP地址和公网IP地址
- 路由选择(了解)
IP协议简介(了解)
- IP是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。IP位于TCP/IP模型的网络层(相当于OSI模型的网络层)，对上可载送传输层各种协议的信息，例如TCP、UDP等；对下可将IP信息包放到链路层，通过以太网、使用各种技术来传送。
主要功能
- IP分组规则
一个IP包从源主机传输到目标主机可能需要经过多个不同的物理网络。由于各种网络的数据帧都有一个最大传输单元(MTU)的限制，如以太网帧的MTU是1500；因此，当路由器在转发IP包时，如果数据包的大小超过了出口链路的最大传输单元时，则会将该IP分组分解成很多足够小的片段，以便能够在目标链路上进行传输。这些IP分片重新封装一个IP包独立传输，并在到达目标主机时才会被重组起来。
- IP转发规则
路由器仅根据网络地址进行转发。当IP数据包经由路由器转发时，如果目标网络与本地路由器直接相连，则直接将数据包交付给目标主机，这称为直接交付；否则，路由器通过路由表查找路由信息，并将数据包转交给指明的下一跳路由器，这称为间接交付。路由器在间接交付中，若路由表中有到达目标网络的路由，则把数据包传送给路由表指明的下一跳路由器；如果没有路由，但路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给指明的默认路由器；如果两者都没有，则丢弃数据包并报告错误。
IP协议报头格式
4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.对于IPv6来说就是6
4位首部长度(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, 只能选择一个服务类型
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 (用来实现拆包与组包)
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 -=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
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
- 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
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 (过去使用目前很少使用)
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
- 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
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
比如一个IP地址为192…168.10.2 子网掩码是28(28就是前面28个1) 所以得到的网络号就是192.168.10.0
- 通过子网掩码也可以判断出主机的数目
用255减去此时子网掩码的最后一个数字 得到的就是总数目 但是要再减去一个广播地址才是主机数目
- 子网地址范围
可见范围就是 主机号从全0到全1就是子网的地址范围 - 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
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(后面会重点介绍)
- 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
NAT技术
- NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能
NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP (本质)
也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;
全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的
- NAT IP转换过程
NAPT
- 那么问题来了, 如果局域网内, 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路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?这时候NAPT来解决这个问题了. 使用IP+port(端口号)来建立这个关联关系
这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的. 例如在TCP的情况下, 建立连接时, 就会生成这个表项; 在断开连接后, 就会删除这个表项 - NAT技术的缺陷
由于NAT依赖这个转换表, 所以有诸多限制:
- 无法从NAT外部向内部服务器建立连接;
- 装换表的生成和销毁都需要额外开销;
- 通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备, 所有的TCP连接也都会断开
- NAT和代理服务器
路由器往往都具备NAT设备的功能, 通过NAT设备进行中转, 完成子网设备和其他子网设备的通信过程.代理服务器看起来和NAT设备有一点像. 客户端像代理服务器发送请求, 代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器; 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户端
代理服务器是一种应用比较广的技术.
: 广域网中的代理.
负载均衡: 局域网中的代理
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 (.1 这种一般也叫网关 就是当前局域网的路由器)
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
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)
路由选择(了解)
- 在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线
- 我的电脑发送一个Ip数据报 目的ip是55.66.77.88
- 这个包从我的电脑出发 看看我的电脑认不认识这个目的ip
- 如果认识就直接发送过去(一般都是些相同局域网内的设备认识)
- 如果不认识 就把数据再交给光猫
- 如果光猫不认识就再次上交给运营商的路由器
- 就这样如果不认识就一直向上级传递 但是我们的Ip报文里有一个生存时间默认为64 如果超过64次传递还没有找到就宣告失败 (只要对方正常 64足够了)
- 现在我访问百度的服务器
此处TTL为56 说明就传递了64 - 56 = 8 次 - 那么每一个路由器如何判断自己认识不认识?
通过路由表判断
目的Ip 相与 子网掩码的到其网络号 然后在路由表中查找是否匹配
如果找到匹配项 就从对应的路由端口中继续进行转发
如果没有找到 就从 默认的 “下一跳” 表项继续转发
如果对方正常转发到一定程度 总会有路由器认识这个IP的 也就发送完成了
- 路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由)., 例如距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等