计算机网络(二)之网络层篇

网络层概述

问题回顾(上一篇文末)

• 跨节点传输?

网络层相关内容

IP协议详解

• 虚拟互联网络

1. 计算机网络是错综复杂的
2. 物理设备通过使用IP协议,屏蔽了物理网络之间的差异
3. 当网络中主机使用IP协议连接时,则无需关注网络细节
4. IP协议使得复杂的实际网络便为一个虚拟互联的网络
5. IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发
6. IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题

• IP协议

MAC地址和IP地址的区别

IP协议定义

1. IP地址长度为32位,常分成4个8位
2. IP地址常用使用点分十进制来表示(0-255.0--255.0--255.0--255)
   例如: 114.114.114.114 、 1.1.1.1 、8.8.8.8 、70.12.34.34 、255.255.255.255 、111.111.111.111
   总共有 2^32 = 4294961292 个IP地址

对于上节提到的"帧"数据,主要是分为"帧"首部,"帧"尾部,"帧"的数据;对于帧的数据主要就是IP数据报

IP数据报

IP数据报分为 IP首部和IP数据报的数据
IP首部图解如下:

1. 版本 :占四位,指的是IP协议的版本,通信双方的版本必须一致,当前主流版本是4,即IPv4,也有IPv6
2. 首部长度: 占4个字节,最大数值为15,表示的是IP首部长度,单位是"32位字"(4个字节),也即是IP首部最大长度为60字节,最小长度为20字节
3. 总长度:占16位,最大数值为65535,表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据),最大的数据链路长度MTU为1500,显然65535远大于1500,因此数据链路层会把IP协议进行分片.
4. 标识:协议内部主要的相关信息
5. 标志: 标记IP报文是否可以分片
6. 片偏移:将IP报文进行分片,拆分成多个数据帧.记录当前数据帧保存的是第几个偏移的数据.
7. TTL:占8位,IP数据报文在网络中的寿命,每经过一个设备,TTL减1,当TTL=0时,网络设备必须丢弃该报文,丢掉之后通过会发出一个ICPM终点不可达差错报文
   解决的是,当IP报文找不到终点的时候,避免IP数据在网络中无限的传输而消耗带宽,因此设置TTL可以让IP在有限次传输后到达目的机器或者未到达丢弃掉.
8. 协议:占8位,表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的(如:TCP、UDP等)
   具体如下图:
   
9. 首部校验和: 占16位,校验IP首部是否有出错!
10. 源IP地址:发送IP数据包的IP地址
11. 目的IP地址:数据包到达目的地的IP地址

IP协议的转发流程

逐跳(hop-by-hop)

路由表简介

流程:

• A通过网卡发出数据帧
• 数据帧到达路由器,路由器取出前6字节
• 路由器匹配MAC地址表,找到对应的网络接口
• 路由器往该网络接口发送数据帧

计算机或者路由器都拥有路由表

IP协议的转发流程

流程如下:

• A发出目的地为C的IP数据报,查询路由表发现下一跳为E
• A将数据报发送给E
• E查询路由发现下一跳为F,将数据报发送给F
• F查询路由表发现目的地C直接连接,将数据报发送给C

结合数据链路层/网络层:

• A发出目的地为C的IP数据报,查询路由表发现下一跳为E
• A将IP数据报交给数据链层,并告知目的MAC地址是E
• 数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
• 数据链路层通过物理层将数据发送给E
• E的数据链路层接收到数据帧,把帧数据交给网路层
• E查询路由表,发现下一跳为F
• E把数据报交个数据链路层,并告知目的MAC地址为F
• E的数据链路层封装数据帧并发送
• F的数据链路层接收到数据层,把帧数据交给网路层
• F查询路由表,发现下一跳为C
• F把数据报交给数据链路层,并告知目的地MAC地址为C
• F的数据链路层封装数据帧并发送

总结:

• 数据帧的每一跳的MAC地址都在变化
• IP数据报每一跳的IP地址始终不变

ARP协议与RARP协议

转发基本流程

• A通过网卡发出数据帧
• 数据帧到达路由器,路由器取出前6字节
• 路由器匹配MAC地址表,找到对应的网络接口
• 路由器往该网络接口发送数据帧

问题:路由器不知道C的MAC地址?

• E检查MAC地址表,发现没有C的信息
• E将广播A的数据包到除A以外的端口
• E将收到来自B、C的回应,并将MAC 地址记录

A把IP数据包交给数据链路层处理 ,并且得知下一跳的MAC地址为E
那么A是如何知道E的MAC地址呢?

ARP(Addess resolute Protocol)地址解析协议

将网络层的IP32位地址转换为数据链路层MAC48位地址
ARP缓存表

ARP缓存表有两种情况

1. ARP缓存表缓存有IP地址和MAC地址的映射关系(如 转发基本流程)
2. ARP缓存表没有缓存IP地址和MAC地址的映射关系(如 上述提到的问题)

因此 ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键, ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系,ARP缓存表中的记录并不是永久有效的,有一定的期限.(cmd -> arp -a)

ARP协议具体的报文信息

注意:ARP是直接封装到数据链路层中的数据帧中的
如图:

RARP(Revese Address Resolute Rrotocol)逆地址解析协议

图解:

与ARP类似

补充:在前面的跳转传递中,需先要查询ARP缓存表得知目的地的MAC地址

IP地址的子网划分

IP地址长度为32为位,常分成4个8位

分类的IP地址

主要是网络号、主机号总共是32位
A类地址:网络号----8位、主机号----24位、首位是0
B类地址:网络号----16位、主机号----16位、首位是10
C类地址:网络地址----24位、主机号----8位、首位是110

特殊主机号:

• 主机号全0表示当前网络段,不可分配为特定主机
• 主机号为全1表示广播地址,向当前网络段所有主机发消息
  如1.2.3.4、1.0.0.0 、1.255.255.255
  特殊的网络号:
• A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络
• A类地址网络段后7位全1(01111111:127)表示回环地址
• B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
• C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
  精确图解(对比上图)
  

125.125.3.60: 前八位 01111101
163.70.31.23:前八位10100011
210.36.127.11:前八位11010010

127.0.0.1,通常被称为本地回环地址( Loopback Address,不属于任何
个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口,所以默认被看作是永远
不会宕掉的接口。在 Windows操作系统中也有相似的定义,所以通常在
安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络
协议、基本数据接口等是否正常的

划分子网

某公司拥有256名员工,每人配备一个计算机,请问该公司应该申请哪种网络段?
答:应该选择A类地址,但是造成了很大的地址空间浪费
因此新增子网号

问题:子网号这么多有没有办法快速判断某个IP的网络号?
答:通过子网掩码

子网掩码

• 子网掩码和|P地址一样,都是32位
• 子网掩码由连续的1和连续的0组成

• 某一个子网的子网掩码具备网络号位数个连续的1
  图解:

  
  

子网掩码划分(看图解析)

网络号:193.10.10.0

无分类编址CIDR

• CIDR中没有A、B、C类网络号、和子网划分的概念
• CIDR将网络前缀相同的IP地址称为一个“CIDR地址块”

主要是分为网络前缀(网络前缀是任意位数的)、主机号

斜线记法

• 193.10.10.129/25
  25:表示当前的网络号前缀为25位

  
  

公司

城市

网络地址转换NAT技术

• 网络地址转换NAT(Network Address Translation)
• NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中
• NAT减缓了IP地址的损耗,但是增加了网络通信的复杂度

首先我们先了解
内网地址:

• 内部机构使用
• 避免与外网地址重复

外网地址:

• 全球范围使用
• 全球公网唯一

三类内网地址

• 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 (支持万级数量级设备)
• 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255(支持百万级数量级设备)
• 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255(支持万数量级设备)

对于公司:可以在外部使用外网IP,在内部使用内网地址;对于家庭:可以使用外网IP,在内部使用C类的内网地址

图解:

如果电脑(192.168.2.11)发送数据报文到手机(192.168.2.10),通过路由器(173.21.59.10)将地址替换成路由器的地址和端口号,手机接收到的实际上是路由器的IP地址. 也就是内网-外网相互转换

ICMP协议解析

• 网际控制报文协议(Internet Control Message Protocol)
• 辅助IP协议传输,ICMP协议可以报告信息错误或者异常情况
• 封装在IP数据包中,ICMP是IP是数据中的一部分

图解:

ICMP首部

8位类型:主要是ICPM种类
8位代码:不同的ICPM出现的错误代码
16位校验和:对ICMP报文数据进行校验

ICMP协议详解

在进行传输的时候,会将在IP数据包中将ICMP中的字段值 1 写入

报文类型

• 差错报告报文

• 询问报文

  
  

ICMP的应用

• Ping 应用
• Traceroute应用

1. Ping应用
   ping应用,会发出ICMP的询问报文,因此在输入Ping命令的时候,首先会组装IP协议的报文,数据包里面会组装一个ICMP的询问报文,并将其封装到IP协议中,在通过数据链路层发出.
   Ping回环地址127.0.0.1
   Ping网关地址
   Ping远端地址

   
   
   
   

   因为IP首部最小字节数为20,所有该数据报(在这里表示ICMP,因为无数据)为12,时间表示传输时间

2. Traceroute应用
   Traceroute可以探测IP数据报在网络中做够的路径
   图解如下:

   
   

网络层的路由概述

(见上述IP转发流程)

自治系统(Autonomous System)

• 一个自治系统(AS)是处于一个管理机构下的网络设备群
• AS内部网络自行管理,AS对外提供一个或多个出(入)口

自治系统内部路由的协议称为:内部网关协议(RIP,OSPF)
自治系统外部路由的协议称为:外部网关协议(BGP)
例如:公司内部AS1 和 学校内部AS2 通信

内部网关路由协议之RIP协议

距离矢量(DV)算法

• 每一个节点使用两个向量Di 和 Si
• Di描述的是当前节点到别的节点的距离
• Si描述的是当前节点到别的节点的下一节点
• 每一个节点与相邻的节点交换向量Di和Si的信息
• 每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息

图解

蒙蔽

目的就是为了求dij的最小值

DV图解

通过观察发现距离矢量信息会有所差别
原因是:
A -> C -> B: A到B的距离可能是由A到C在到B的
B -> C -> D -> A:同上

RIP协议的过程

• RIP(Route Infomation Protocol) 协议
• RIP协议是使用DV算法的一种路由协议
• RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离
• RIP协议每隔30s交换一次路由信息
• RIP协议认为跳数 > 15的路由则为不可达路由

RIP协议的过程

1. 路由器初始化路由信息(两个向量Di和Si)
2. 对相邻路由器X发来的信息,对信息的内容进行修改(下一跳地址设置为X,所有距离加1)
   i. 检索本地路由,将信息中的新的路由插入到路由表里面
   ii. 检索本地路由,对于下一跳为X的,更新为修改后的信息
   iii. 检索本地路由,对比相同目的地距离,如果更新信息的距离更小,则更新本地路由()
3. 如果3分钟没有收到相邻的路由信息,则把相邻路由设置为不可达(>15跳)

图解

i

图1代表的是路由器到D的距离为2下一跳的为A, 收到图2新路由发到A点的距离为4下一跳为C,到B点的距离为2下一跳为C,图三(灰色)是图二距离加1后更新的信息,图四是将新的路由器(图二)中的路由表添加到图一中

ii

3. DV算法过程

   
   
   iii

RIP缺点
RIP协议:实现简单,开销很小
RIP协议:限制了网络的规模
RIP协议:"坏消息传递慢",更新收敛时间过长

Dijkstra(迪杰斯特拉)算法

• Dijkstra算法是著名的图算法
• Dijkstra算法解决有权图从一个节点到其他节点的最短路径问题
• "以起始点为中心,向外层层扩展"

最短路径

1. 初始化两个集合(S,U)(S为只有初始顶点A的集合,U为其他顶点集合
2. 如果U不为空,对U集合顶点进行距离的排序,并取出距离A最近的一个顶点D
   i. 将顶点D的纳入S集合
   ii. 更新通过顶点D到达U集合所有点的距离(如果距离更小则更新,否则不更新
   iii. 重复2步骤
3. 知道U集合为空,算法完成
   (网上查查资料明白道理就好/~)

内部网关路由协议之OSPF协议

链路状态(LS)协议

• 消息描述该路由器相邻路由器的链路状态(距离、时延、带宽)

特点:

1. 向所有的路由器发送消息
2. 消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态
3. 只有链路状态发生变化时,才发送更新信息

OSPF协议的过程

• OSPF(Open Shorttest Path First:开放最短路径优先)
• OSPF的协议的核心是Dijkstra算法

1. 向所有路由器发送消息
获取网络中的所有信息 => "网络的完整拓扑"
每个路由器都会运行Dijkstra算法,进而找到自己到达某个顶点的最短路径
* 也称为"链路状态数据库"
* "链路状态数据库"是全网一致的
2.消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态
OSPF协议更加客观、更加先进(仔细理解理解~)
3.只有链路状态发生变化时,才发送更新信息
减少了数据的交换,更快收敛

五种消息类型

1. 问候消息(Hello)
2. 链路状态数据库描述信息
3. 链路状态请求信息
4. 链路状态更新信息
5. 链路状态确认消息

图解:

OSPF

RIP和OSPF协议对比

RIP VS OSPF

外部网关路由协议之BGP协议

• BGP(Border Gateway Protocol:边际网关协议)
• BGP协议是运行在AS之间的一种协议
• BGP协议能够找一套到达目的比较好的路由

原由

• 互联网规模很大

• AS内部使用不同的路由协议

  
  
  BGP
• AS之间需要考虑除网络特性以外的一些因素(政治、安全...)

BGP发言人(speaker)

• BGP并不关心内部网络拓扑
• AS之间通过BGP发言人交流信息

• BGP Speaker 可以认为配置策略

  
  
  BGP Speaker
  
  

完结