网络层&链路层总结

1. 网络层

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1.1 网络层作用

网络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识一台主机, 并通过路由表的方式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)工作在网路层. 典型协议: IP. 典型设备: 路由器: 实现数据的路由转发.

• 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

1.2 IP协议*

1.2.1 协议头格式

• 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
• 4位头部长度(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. 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.
• 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-= 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): 略

1.2.2 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;
  
  
• 自动管理子网内部ip—DHCP技术
  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.

1.2.3 子网掩码

• 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

子网掩码是为了区分网络位和主机位，上面我们说到过，一个ip地址是由网络部分和主机部分。正如一个人的名字由姓与名组成。

那么我们可以把IP地址比作一个人的名字，那么子网掩码就像是一份名单，可以快速的知道那些人同姓，那些人不同姓，把同姓的人分在一组，让他们之前可以互相交流。

举个例子：

有一个网段是192.168.1.0-192.1.254，这个网段就像一个村子一样，就称它为安防村，此这网段有个ip地址是192.168.1.1，我们就叫他安防一，另外一个人叫安防二，它的ip地址为192.168.1.2，我们一看他们，就知道他们是同村的。

另外有一个网段，是192.168.0.0——192.168.255.254，我们叫它安村，村里有个同样有两个ip地址192.168.1.1与192.168.1.2，也叫安防一，安防二，那么问题来了？这个时候，如何区分他们是属于那个村的？

这个时候就需要子网掩码了来判断他们是属于那个网段的，需要把安防一、安防二带到村里去认下，就知道他们是属于那个村了，安防村的网段是255.255.255.0，安村的网段是255.255.0.0。

网络中也会出现类似于“同名”“同姓”的ip地址，如何区分他们到底是属于那个网段，就需要依靠子网掩码了

1.2.4 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

1.2.5 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(掩码方案)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;

1.2.6 路由

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线

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;
• 依次反复, 一直到达目标IP地址

为了将数据包发送给目标主机，所有主机都维护者一张路由控制表（Routing Table），该表记录IP数据在下一步应该发给哪一个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。

• 路由表—路由表可以使用route命令查看
  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,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
  

2. 链路层

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2.1 链路层作用

数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如网卡设备的驱动、帧同步(就是说从网线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就自动重发)、数据差错校验等工作. 有以太网、令牌环网, 无线LAN等标准. 交换机(Switch)工作在数据链路层. 典型协议: Ethernet以太网协议. 典型设备: 交换机: 实现数据的交换转发.

2.2 以太网

以太网" 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的内容. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;

例如以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;

以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等

• 源地址和目的地址是指网卡的硬件地址(也叫MAC地址), 长度是48位,是在网卡出厂时固化的;
• 帧协议类型字段有三种值,分别对应IP、ARP、RARP;
• 帧末尾是CRC校验码

2.3 MAC地址

IP与MAC

虽然现在已经ipv6了，但我们基本用的大多数还是ipv4协议，所谓ip就是你电脑整个网络的编号。其他电脑想访问电脑就得需要这个编号。但是这个编号很多情况下是一直在变化的。唯一不变的是你的MAC地址：物理地址。

MAC是网络中用来标识网卡设备的唯一网络地址。由相关硬件制造商统一分配，每台电脑的MAC地址都是唯一的。

做个比喻，你经常搬家，你没搬一次家都有一个地址，XX小区XX单元XX号，这个就是IP。但是你的名字不变，这个就是MAC，不同的是我们的MAC不允许重名

我们的IP分为两个部分：如上图分为网络部分和主机部分。网络部分好比就是你在XX省XX市XX镇，这个是国家固定下来了的。但是XX小区XX单元XX号是开发商自己定的。两个编号加起来就是你的ip了。不同的是在现实中两个编号的长度是固定的，在网络上A、B、C、D的ip地址却是变化的

• MAC格式:
  • MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点;
  • 长度为48位, 及6个字节. 一般用16进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
  • 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯一的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac地址)

2.4 MTU*

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层, 产生的限制.

• 以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;
• 最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU
• 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的;

MTU是最大传输单元, 一个数据报如果大于MTU但是小于64K, 在网络层就会进行数据分片, 但是tcp不会进行数据分片, 因为tcp在传输层协商的MSS就是通过MTU就是通过MTU计算得到的, 因此网络层数据分片主要针对的是UDP数据报.

• 将较大的IP包分成多个小包, 并给每个小包打上标签;
• 每个小包IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的;
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为1, 否则置为0);
• 到达对端时再将这些小包, 会按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层;
• 一旦这些小包中任意一个小包丢失, 接收端的重组就会失败. 但是IP层不会负责重新传输数据

2.5 ARP协议

ARP是一种解决地址问题的协议，以目标地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。不过，ARP只适用于IPv4，不适用于IPv6

ARP协议简单来说, 就是通过IP来获得MAC

RARP则是将ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议

2.6 DNS

DNS是域名解析服务器（Domain Name System），是把网址变成IP地址的服务器。

有效管理主机名和IP地址之间的对应关系->DNS系统

2.7 NAT技术

NAT（Network Address Translator）用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术

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来建立这个关联关系

3. 浏览器输入url发生什么(经典问题)

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1、DNS解析：将域名解析为IP地址; 必看—DNS参考
2、TCP连接：TCP三次握手;
3、发生HTTP请求;
4、服务器处理请求并返回HTTP报文;
5、浏览器解析渲染页面;
6、断开连接：TCP四次挥手;