计算机网络【IP协议与以太网】

一.IP协议

1.1IPv4协议格式

●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(类似于TCP,UDP)
●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

如果整个IP协议数据太长超过了64k的大小,IP协议就会将数据分成多分进行传输(大小不超过64k),通过标识来标识判断来这个是那一份的IP协议里的数据报,通过片偏移来判断在这个IP报文里是那个层(进行排序),通过标志位来辨别出是否后面还有没有有需要传输的分层数据,如果是0就代表还有,如果是1就代表这个分层数据就已经传输完毕了

1.2 IP协议地址

IP地址是一个点分十进制构成的数据
IP地址分成两个部分分别是,网络号+主机号

上面说了那么多有关IP协议格式，但IP地址究竟是什么呢？对于IPv4，IP地址本质上就是一串32位的序号而已，以点分十进制的方式呈现出来，即平均将这32位平分为4份，每份8位，使用.分割，每份数据的范围为0-255，比如192.168.31.70就是一个IP地址。

IP地址分为两个部分，即网络号+主机号，网络号能够描述当前的网段信息（局域网标识），主机号区分了局域网中的主机。

要求在同一个局域网内，网络号必须相同，主机号不能相同，两个相邻的局域网（同一台路由器连接），网络号是不同的。

比如上面的192.168.31.70，192.168.31表示网络号，70表示主机号。但是网络号的位数与主机号的位数是固定的吗？当然不是，在计算机网络，有一个专有名词叫做子网掩码 ，它也是一个32位的数，对应IP地址的每一位，如果为1就表示这一位是网络号，为0就表示主机号，子网掩码不会混着排列，左边为1表示网络号，右边为0表示主机号。

打开电脑的命令行，输入ipconfig，就能获取到本机的IP地址：

●网络号:描述当前的网段信息(局域网的标识)
●主机号:用来区分局域网的主机

为什么这样设计,是因为在同一个局域网会采用同一个网络号,所以要辨别出 不用设备对别的设备进行访问,我们就需要来辨别出具体是那个设备进行的访问
同理不在同一个路由器里网络号也是不相同的,这就是我们之前学过的LAN口(局域网)与WAN口(广域网)

1.3IPv4协议的解决方案

当前我们使用的IP协议是IPv4协议(32位),也就是说我们可以使用链接的设备为42亿9千万,随着我们世界当今的飞速发张意味着终会有一天42亿9千万就不会满足我们来使用,所以我们应该怎样来解决未来将要面都的问题呢?

●动态分配IP地址:就是让每个设备链接到网络的时候,才会有IP,不联网的时候就没有IP,但是这个方案不能从根本上来解决

●.NAT机制:让多个设备公用一个IP,就像我们上面画的图演示时一样的,我们将内网(局域网)与外网(广域网)进行了区分,也就是只有在使用外网的时候才会占有IP地址,这个时候就有可能会带有成千上万个设备,这样就能解决IP数量不够的问题
NAT机制虽然将IP分成了外网和内网,但是也隐含了一个重要的结论:对于一个外网,可以在互联网任意一个位置来进行访问,但是对于一个内网,只能在当时局域网内部访问,局域网1不能访问局域网2的设备,所以就像QQ一样,QQ是带有外网的IP,我通过我的手机来访问QQ,你也通过QQ来访问QQ,我们来进行短息的交流,这样我们其实最终还是需要用到外网才可以进行访问,所以NAT机制也是有极限的,它的极限就是源端口号

●IPv6:IPv6是由16个字节来构成的比IPv4多了12个字节,IPv6可以带有2*128次幂的IP,也就是可以说将我们全球的沙子赋予他们属于自己的IP,之所以IPv6没有在当前世界流行,是因为IPv4与IPv6是不兼容的!

1.4路由选择(了解)

路由选择就是规划路径->问路
两个设备之间,要想找到一条通路能够完成传输的过程,找到的前提就是得先认识路

什么叫做路由器"认识"这个IP地址?
在路由器里有一个数据结构->路由表,路由表就在里面记录的一些网段信息~~(网络号),也就是我们从源IP到目的IP中就是要通过每个网络号对应的网络接口来找到目的IP地址

二.以太网协议

2.1以太网协议格式

数据经过网络层的封装后，会进入数据链路层进一步封装，数据链路层最常用的协议就是“以太网”，协议格式如下：

●目的地址，源地址（6字节）：数据链路层的地址是MAC地址，表示物理层地址，每一个设备只有一个物理层地址，这在硬件出厂时就已经写死的（大部分），它的地址长度比IPv4长了6w多倍，如80-30-49-26-8E-D9就是一个物理地址，在命令行输入ipconfig /all就能够查看自己设备的物理地址

●帧尾（4字节）：帧尾的功能一般是校验，它是一个叫做FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）或CRC算法实现的校验和

以太网数据帧的最大数据载荷称为MTU，这个范围一般取决于硬件设备，不同硬件设备的MTU也不同。数据链路层考虑的是相邻设备，或者说是直接连接设备的数据传输，考虑到这个细节的时候，就需要关注传输的硬件设备，不同的硬件，搭载的数据量也不同

除了MTU还有一个类似的概念，那就是MSS，表示在不分包的情况下，除去IP与TCP首部能够搭载的最大容量

ARP报文，并不是用来传输数据的，而是一个辅助信息，就是将IP地址与MAC地址一一对应起来，建立成一个类似哈希表的映射关系，MAC地址每传输一次都会发生改变。当设备启动的时候，就会在所处的局域网发起一个广播，获取局域网内设备的IP与MAC地址，根据各个设备响应的信息就能建立一个IP与MAC对应的映射表

2.2认识MTU(了解)

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对IP协议的影响
由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包
●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

三.DNS协议(应用层)

对于我们人类来书说，IP地址并不好记，为了方便人类的记忆，就将IP地址用一个域名（比如www.baidu.com）来指代，而DNS能够将IP与域名对应起来，形成映射关系

DNS最开始的时候就是一个hosts文件，不过随着发展，现在就有一个机构专门在服务器上维护hosts文件，如果你需要域名解析，就可以访问它们的网站获取

我们可以将文件拖到记事本来查看一些信息,例如IP地址

当然，就一个根服务器是满足不了全球用户的访问的，于是运营商就就近架设了镜像的服务器，镜像服务器会定时同步根服务器上的数据