Linux(网络基础---网络层)

0. 前言

前面我们讲了，应用层、传输层；本章讲网络层。

• 应用层：我们现在知道我们的数据并不是直接发到网络上的。
• 传输层：控制数据的发送，也就是协议—TCP/UDP
• 网络层：具体执行的机构。

例子：

• 现实生活中，物流公司要求一次只能帮忙运送3公斤的东西；可是我的电脑有十公斤，怎么办哪？？？肯定是把电脑拆开，分别运送，然后通过物流公司帮我们配送到目的地。
• 这个例子中传输层就代表我们用户，数据链接层代表物流公司。

网络层：

• 在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

1. IP协议

1-1 基本概念

• 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 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0, 其他是1. 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)；作用-----就好比，我们前言讲的那个物流例子，物流公司（数据链接层）分批运送物品；最后肯定还是我们（网络层）在拼接号；
• 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)。
• 8位协议：TCP/UDP协议
• 数据：有效载荷=16位总长度-（4位首部长度）* 4， 例如：TCP数据段，什么意思？？？看图：
  
• 封装分用图：
  
  解包相关过程

两个问题：

• 如何封装和解包？ ？
  • 定长报头 + 自描述字段
• 如何交付（分用）？？
  • UDP/TCP协议

分片五大方向

• 1 分片不是主流
  • 容易出错，TCP协议可以规定不要传太大就不用分片了
• 2 识别报文和报文的不同
  • a. 16位的标识：不同报文，标识不同。
  • b. 相同报文的分片，标识是相同的。
  • c. 相同的标识放在一起；便于分片组装。
• 3 具体识别报文是否被分片与是否没有被分片。
  • 三位标志中的 更多分片标识位 + 13位偏移保证的。
• 4 如何识别分片的开始，中间和结尾三部分？？？
  • a. 更多分片标志位为0 && 13位偏移为0 = 报文未被分片
  • b. 更多分片标志位为1 && 13位偏移为0 = 报文被分片，此分片为原始报文起始。
  • c. 更多分片标志位为0 && 13位偏移不为0 = 报文被分片，表示最后一个分片。
  • d. 更多分片标志位为1 && 13位偏移不为0 = 报文被分片，表示后面还有分片。
• 5 异常处理：我们的识别如果组装过程中，任意一个分片丢失，我们都能识别出来。
  • 根据总产度（如果不是起始分片还要减去报头长度） + 13位偏移 = 下一个分片偏移量；两者进行比对。
    
    小结：
• 分片我们不推荐，因为封装和分片的过程中上层（传输层）不知道。
• 分片增加了丢包的概率。
• 解决方法，需要传输层协议规定。

2. 网段划分

2-1 基本概念

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;
  
  （图片来源与相关教材资料）
• 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。

2.2 IP地址分五大类

• 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
  

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址。

针对这种情况提出了新的划分方案,称为CIDR(Classless Interdomain Routing)：

• 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。

• IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全0到全1就是子网的地址范围；
• IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68, 子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0
• 子网掩码取反就是子网地址的最大号。

2-3 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。

2-4 IP地址的数量限制

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。这么就意味着IP地址就不够用。

解决方法：

• 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（Network Address Translation）
  • 这种方法需要在专用网（私网IP）连接到因特网（公网IP）的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址（公网IP地址）。这样，所有使用本地地址（私网IP地址）的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。
• 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。

2-5 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)。
  我们通常看到的IP就是私有的（例如我们上学校的网时。）
  

• 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.

• 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. 这样的运营商路由器可能会有很多级,最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了。

• 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)

小结：
路由器要做的事情

• a. 将报文中的源IP替换成为路由器的WAN口IP
• b. 每经过一个路由器都要做这个工作（公网路由不需要）
• c. 源IP地址在不同内网，不同层级的网络节点转发并不断被替代的技术就是NAT技术！！！

2-6 路由

• 在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;
• 路由的过程就是一跳一跳的“问路”的过程；

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。