(Linux)网络基础- - - 网络层（IP协议）、链路层

网络层（IP协议）

负责地址管理与路由选择（为每一条网络中的数据根据想去的地方选择合适的路径）

IP协议格式

• 4位版本号：IPV4 / IPV6；
• 4位首部长度：标识IP报头有多长，以4字节为单位（最小20字节/最大60字节）；
• 8位服务类型：3位弃用 / 1位置0,4位TOS字段- - -最大吞吐量 / 最小成本 /最高可靠性 / 最小延时；
• 16位数据报长度：限制了一个完整的IP报文最大长度不超过64k；udp报文数据最大长度不能超过64-20-8；
• 分片标识：数据在实际传输时的最大长度不仅受限于数据报长度字段，并且受限于链路层的一个信息- - -MTU（最大传输单元，链路层中一条数据帧中的最大数长度（网络层的报文最大长度），通常在以太网组网方式中是1500字节，可配置），一条udp数据在网络层限制不大于64k-28即可发送，但是在链路层会受限于MTU大小；
  若IP报文大小小于MTU，但是又符合数据报长度字段，则这条数据会在网络层进行数据分片
  16位分片标识：标识当前分片属于哪一个完整的上层报文；
  3位标志：1位保留，1位禁止分片位，1位标志位（除了最后一个分片外其他分片都置为1）；
  13位分片偏移：当分片在对端进行重组的时候，就需要确定这个分片在原始报文中的什么位置，13位能够表示的最大大小是 8192。
  假设一个分片在报文中的位置是：64000个字节的偏移量，这个时候13位分片偏移就没法识别，因此分片偏移的单位是8个字节，以8字节为单位，13位偏移量8192*8刚好可以描述的大小就是0~65535，所以每个分片（除了最后一个）长度都是8的整数倍。（例：offset=1000，则表示这个分片的偏移量是8000字节）；
• 8位TTL：报文的最大生存周期，每经过一次路由器就会-1，为0时表示找不到对端，则会被丢弃（默认一般为64，现在大多都是128），主要是为了防止路由环路的问题（多个路由器互相连接，形成转发环路，数据在环路中不断转发出不去）；
• 8位上层协议：记录传输层所使用的协议，用于数据分用时，选择上层解析协议；
• 16位校验和：校验数据一致性（不同设备工作的不同层，比如路由器，不会到达传输层，不会进行传输层的校验）；
• 32位源端IP / 32位对端IP：描述了通信中的两台主机；
  0~40字节选项数据：例如保存路由过程中每台经过的路由器信息…
  

地址管理

IP地址的组成：网络号 + 主机号
网络号：是一个网络的标识，俗称网段； （这个网络中所分配的IP地址都会带有这个网络的标识，这样的话每个网络的网络号保证不同，就可以保证他们分配的IP地址不同）；
主机号：一个主机在一个网络中的标识；（一个网络中，有很多主机，主机号就是用于在一个网络中标识不同的主机）
网段的划分：
早期：将所有IP地址划分了五类（五类网络）
A：用于组件大型网络，高1位固定位0,7位网络号，24位主机号； 网络号范围：0~127；IP地址范围：.0.0.0.0 ~ 127.255.255.255； 1.0.0.0 ~ 1.255.255.255 - - -这就是1号网络所能分配的IP地址范围，这种网络可以容纳16581375 个主机；
B：用于组建中型网络，高2位固定为10,14位网络号，16位主机号；网络号范围：128.0~ 191.255；IP地址范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255； 128.1.0.0~128.1.255.255- - -这就是128.1这个网段所分配的IP地址范围，这种网络可以容纳65536个主机；
C：用于组建小型网络，高3位固定为110,21位网络号，8位主机号；网络号范围：192.0 ~ 223.255；IP地址范围：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255； 192.168.1.0 ~ 192.168.1.255- - -这就是192.168.1这个网段所能分配的IP地址方位，这种网络可以容纳256个主机；
D：特殊IP地址；
E：特殊IP地址；
（早期的这种划分方式造成了大量的IP地址浪费，大部分公司申请的是B类网络） - - - - - 划分不够精细

当前：CIDR方案- - -如何将网络划分的更加精细- - - 使用子网掩码划分网络
子网掩码：unit32_t 类型的数字，这个数字由连续的二进制1组成；
子网掩码与IP地址相与：得到当前网络的网络号；
子网掩码取反：得到这个网络中的主机号范围，子网掩码 = 255.255.255.0，则这个网络中的主机号范围是：0 ~255；

特殊的IP地址：

• 0.0.0.0：可以识别当前主机上的任意网卡地址，常用于服务端的监听地址（表示绑定监听本机上的所有地址）；
• 255.255.255.255：全网广播地址（任意一个主机收到这个地址的数据，都会认为是发送给自己的- - -适配所有IP地址，常用于DHCP请求地址）；
• 127.0.0.1：本地虚拟回环网卡的IP地址（常用于本地的网络通信测试- - - 自己给自己发送数据）；
• 主机号全为0：实际就是网络号，是网络的表示，因此全为0的主机号是不能分配给网络中主机的；
• 主机号全为1：实际上是UDP局域网广播地址（适配于当前网络中的所有主机），因此全为1的主机号是不能分配给网络中主机的；

公网 / 外网 与 私网 / 内网：

• 公网 / 外网：我们通常所说的互联网；
• 私网 / 内网：一个私有网络，仅限于内部通信；

IP地址不够用怎么办？
1、DHCP动态地址分配
2、NAT网络地址转换（主要就是用于组建私网，私网中的主机要么只能内部通信，要么就使用统一 一个对外的IP地址上网）

私网之间，只要网络不相邻，网络号就可以相同，分配的IP地址就可以冲突（因为它们对外上网的时候会通过NAT服务转换为对外的地址进行上网，对外来说是没有冲突的）；但是私网的网络号，也不能随便使用，万一与公网的某个网络的网络号冲突了就不合适了（则分配的地址都会与公网地址相冲突）。

RFC文档1918规定：能够用于组建私网的网络号有以下几种：

• 10.* . *. * - - -用于组建大型网络
• 172.16.* . * ~ 172.31. * .* - - -用于组建中型网络；
• 192.168. * .* - - -用于组建小型网络；

路由选择

路由为每一个流经的数据根据目的的IP地址进行路径选择

路由表


上图中蓝色圈为一个小的局域网，红色圈为一个小的局域网，但是两者不能直接进行通信，需要通过运营商路由器发到互联网后才可以；蓝色圈之间是可以直接通过局域网进行通信的，红色圈也是。

互联网中路由器上记录的路由表（包含的不仅仅是与自己相连的网络的路由信息，与自己不相连的也会记录- - -路由器会广播自己的路由表多少层网络），路由表生成算法 有很多种。

链路层

负责相邻设备之间的数据帧传输（以太网eth），链路层负责每一个相邻节点之间的数据传输；
相邻设备之间也需要描述识别（因为一个设备可能又很多相邻设备），链路层相邻设备之间的识别是通过MAC地址实现的。
MAC地址：网卡的硬件地址。

48位对端MAC地址 / 48位源端MAC地址：描述识别相邻的设备，描述了相邻设备之间的数据传输；
16位上层协议类型：网络层的协议类型，进行数据分用时选择上层的解析协议；
32位CRC校验和：数据帧尾，包含校验和在内；

如何获取对端的MAC地址？
一个主机，第一次通过网线连接到路由器上，然后发送dhcp请求，路由器收到之后就会进行响应，给主机分配IP地址；
arp协议：是一个介于网络层和链路层之间的协议，通过IP地址获取MAC地址；封装 arp 请求，然后arp请求广播到整个局域网中，（以太网头中设置的对端MAC地址FFFFFFFFFFFF，arp请求中描述自己的MAC地址和IP地址，以及对端的IP地址，对端的MAC地址空白），相邻设备收到这个arp请求后，检测目的的IP地址是否与自己相符，若相符则组织arp响应，填充自己的MAC地址回复出去，若不相符则直接丢弃。
arp局域网欺骗攻击：恶意主机收到arp广播请求，伪造自己，告诉主机自己就是目标主机，将自己的MAC地址发送过去。 解决方法：防火墙白名单（主机获取到相邻设备MAC地址之后，会缓存一段时间（默认为20~30分钟））
MTU：最大传输单元，链路层限制的数据帧大小（根据组网方式不同，默认数值也不同，以太网默认1500字节）

MTU对上层协议应用的影响：

tcp协议：tcp在传输层，三次握手的时候，进行MSS - - - 最大数据段大小协商，告诉对方自己的mss是多少，然后通信双方取最小的一方作为最大传输数据段大小，每次从发送缓存区中取出不大于mss大小数据进行传输- - -因此通常也说tcp在传输层会自动进行数据分段。
MSS = MTU - 最小IP报头长度 - 最小TCP报头长度；
如：mtu默认为1500，则mss = 1500 - 20 - 20 =1460
.
udp协议：因为udp不考虑mss（对于udp不存在mss的概念），只要数据段大小小于64k-28，就可以进行传输，但是这个数据大小若是大于mtu则会在网络层进行数据分片。
udp不保证数据可靠传输，一个Udp报文若在网络层进行了分片，则传输过程中，一个分片出问题，整个udp报文都会被丢弃；意味着Udp传输过程中，分片越多在传输出问题的几率就越大。
解决方案：程序员在应用层使用udp协议的时候最好就能考虑mss的问题，将udp数据按照计算的mss进行分包处理。
交换机通过记录mac地址映射实现固定主机间的数据转发。

其它的典型协议与技术：DNS / ICMP /NAT /NAPT /代理

DNS

DNS为域名系统 ，用于存储IP地址与域名的映射关系，提供域名解析，通过域名获取服务器IP地址的服务。
域名：服务器地址的别名 - - -便于记忆，但是最终通过域名访问服务器的时候还是进行解析最终通过IP地址访问服务器的。域名服务器用于记录所有服务地址与域名的映射关系。
域名服务器的划分：根域名服务器（13组）- -> 顶级域名服务器- - > 二级域名服务器 - - ->三级域名服务器；
域名的划分：顶级域名（.com / org /.cn / .jp）- ->二级域名（.baidu.com）- ->三级域名（.zhidao.baidu.com）
域名解析流程：www.zhidao.baidu.com

浏览器中输入url回车之后，都发生了什么？
1、域名解析 - ->2、根据http协议格式组织http请求数据- -> 3、搭建tcp客户端与服务器建立连接，发送请求数据 - -> 4、等待响应，得到后进行解析渲染。

ICMP协议：网络层协议，用于进行网络探测。

ping：ssh协议使用22号端口 / telnet协议使用23号端口，ping 使用多少端口呢？
ping工具通过icmp协议实现，进行网络探测，而网络层的协议不涉及到端口（但口试传输层的信息）；

NAT/NATP服务：网络地址转换服务

主要用于组建私网，对外使用统一地址，防止与外部地址冲突；
NAT服务，通常部署在网管设备上，工作在网络层（进行IP报头中的源端地址替换），通过网关设备进行数据转发。

代理服务

个人网络与互联网服务商之间的中间代理机构（类似于我们买东西时与生产厂家之间代销商）；
与NAT是完全不同的

• 代理服务：是一个应用层服务，部署在任意设备上，工作在应用层，我们个人请求的是代理服务器；
• NAT服务：是一个网络层服务，部署在网管设备上，工作在网络层，我们个人依然请求的是目标服务器；

举个聊QQ发消息的例子，进一步掌握 TCP / IP 五层

• 1、编写QQ程序；
• 2、程序运行起来称为进程，开始处理，采集键盘数据，得到数据之后，从线程池中取出一个线程；
• 3、在线程中，组织QQ协议格式数据，描述这个数据是发送给哪个QQ号的（应用层协议封装）；
• 4、应用层封装完毕后创建套接字，搭建TCP客户端，连接QQ的服务器，连接建立之后，send发送数据；
• 5、send发送数据只是将数据放到了socket发送缓冲区中，tcp三次握手会协商mms，根据mss从发送缓冲区中取出合适大小的数据；
• 6、封装tcp头部，通过端口描述哪两个进程在进行通信；
  通过协议中序号、确认序号进行包序管理，并且实现确认应答机制，以及发送端通过超时重传机制实现可靠传输；
  通过协议中校验和校验发送端的数据与接收端数据是否一致；
  通过协议中窗口大小字段，实现滑动窗口机制，进行流量控制，以及接收端的数据排序；
  发送端口通过拥塞控制，进行网络探测，防止网络不好丢包较多；
  通过捎带应答，延迟应答，快速重传提高传输效率；
• 7、传输层封装完毕之后，将数据交给网络层进行IP封装，通过IP地址描述是网络中哪两台主机在进行数据通信，tcp会自动进行数据分段（mss就是通过mtu计算的），因此不会进行数据分片；
  描述TTL生存周期防止路由环路，描述传输层协议用于数据分用；
• 8、网络层封装完毕之后，将数据交给链路层；通过arp请求获取到指定IP地址的相邻设备的mac地址；通过mac地址描述是哪两台相邻设备之间先进行传输，通过协议中的上层协议类型，用于数据分用时网络层的协议选择；
• 9、通过物理层将电信号发送出去；

1、我现在是将数据从我的主机发送给我们家的路由器（我的主机的网关设备），我的主机第一次连接到网关设备的时候会广播DHCP请求，获取到网关的IP地址，生成自己的路由表。
2、数据发送到路由器这个家里的网关设备上之后，路由器会根据自己的路由表以及目标地址，逐个匹配最终生成一条路径，应该将数据发送给哪个与自己相连的网络，发送之前会进行NAPT地址替换映射（指定端口收到回复的时候应该将回复相应给哪个家里的主机），然后由路由连接指定相邻网络的这个网卡将数据发送到这个网络。
3、数据经过这些路由器逐层转发之后就会到达对端。