目录
前言
IP协议
基本概念
IP协议格式
分片
16位标识
3位标志与13位片偏移
分片流程
网段划分
网络号和主机号
DHCP协议
CIDR划分方案
特殊的ip地址
ip地址数量限制
私有ip地址与公网ip地址
路由转发
我们前面讲了HTTP/HTTPS协议和TCP/UDP协议,分别对应四层模型中的前两层:应用层和传输层,现在我们该讲解第三层:网络层,该网络层用到的协议是IP协议.
在应用层,我们解决的是数据如何使用的问题,在下三层,我们需要解决的是如何将数据可靠的从A主机发送到B主机。
TCP协议解决的是数据传输可靠性问题,而IP协议解决的是将A主机发送到B主机的能力。如何连把A主机的数据送到B主机的数据的能力都没有,何谈可靠呢,所以我们使用到了IP协议:提供一种能力,将数据从A主机送到B主机。
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。
如图,从主机B到主机C,它是由路由器一跳一跳的送往目的主机的,而具体是调到哪一个路由器,这便是对方的IP地址决定的,后面会细讲。
- 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
- 4位首部长度(header length):不包含数据的报头大小。 和TCP的4位首部长度一样, 4bit表示最大的数字是15,但单位是4字节, 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(包含数据).
- 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= 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(当路由器接收到一个数据包时,它会根据路由表选择下一跳,并将数据包转发给下一跳路由器。如果路由表配置不正确或存在环路,路由器可能会错误地选择一个跳转路径,导致数据包在网络中循环转发。).
- 8位协议: 表示上层协议的类型,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.这也可以解释为什么IPv4中ip是四个字节了,因为有32个比特位
- 选项字段(不定长, 最多40字节): 略
这里还是要解决最基本的两个问题:
1.如何解包? (将报头和数据分离)
定长报头+自描述字段,先提取固定长度20字节的报头,再根据报头中的4位首部长度得出报头(不包含数据)的总长度(4*4位首部长度),然后减去20字节就是选项的长度【得到报头】;然后再用16位总长度得出该数据报的总长度,减去4位首部长度 得出的长度即是数据的长度【得到数据】。
即有效载荷= 16位总长度 - 4*4位首部长度。
2.如何向上交付(分用)?
根据报头中的8位协议,来决定交付给上层的TCP或者UDP.
那第二行这16位标识,3位标志,13位片偏移是什么呢?
链路层由于物理特征的原因,一般无法转发太大的数据。 所以 链路层一般有一次可转发到网络的报文大小限制。所以我们需要对数据进行分片,分片工作是在该层网络层实现的。传输到对方网络层时,它再进行组装。 即谁分片,谁组装。
所以接收方对于分片的组装、处理,会有以下四个问题需要处理:
所以下面的就几个字段就是来解决这些问题的.
1.如何识别不同的报文
当我们收到很多的报文时(已经被分片),我们如何确定哪些分片是属于同一个报文里,哪些是不同的呢?
我们想到的是:不同报文,应该标识不同;相同报文的分片,标识应该是相同的.
16位标识字段是一个16位的字段,用于标识原始数据包。当原始数据包在发送过程中需要分片时,每个分片都将包含相同的标识值,以便接收端能够识别这些分片属于同一个原始数据包。
3位标志(Flags)字段:标志字段是一个3位的字段,其中包括以下三个标志位:
2.片偏移(Fragment Offset)字段:片偏移字段是一个13位的字段,用于指定当前分片在原始数据包中的位置。它表示了当前分片的数据在原始数据包中的偏移量(以8字节为单位)。通过片偏移字段,接收端可以将不同分片按正确的顺序重新组装成完整的原始数据包。
例如一个24字节的数据,它会被分片为3分。第一个分片片偏移为0,第二个分片的片偏移为8,第三个分片片偏移位16.
现在可以解决一下刚才的问题:2.如何识别报文有没有被分片?
a.如果3位标志位 第三位标志位 为1,说明该报文一定被分片了。
b.如果3位标志位 第三位标志位 为0,说明该报文是最后一个分片,或者没有被分片。
如何区分呢?当3位标志位 第三位标志位为0时,此时的13位片偏移不为0,说明该报文一定被分片了(因为该分片一定是最后一个,如果分片了,那么该分片片偏移一定不为0);如果13位片偏移为0,说明这就是一个独立的报文,没有被分片。
3.如何识别被分片的报文从哪里开始,从哪里结束?
按照我们上面讲的:
如果3位标志位 第三位标志位 为1,而且片偏移为0,说明此时是分片的开始
如果3位标志位 第三位标志位 为1, 而且片偏移为>0,说明此时是分片的中间部分
如果3位标志位 第三位标志位 为0,而且片偏移为>0, 说明此时分片是结尾
4.异常处理:组装过程中,如何识别某一个分片的丢失?
根据每个分片的偏移量进行升序排序,结合偏移量+自身大小 = 下一个报文的偏移量。
扫描整个报文如果没有与下一个报文偏移量匹配的,则说明中间一定有丢失的分片;如果可以正常计算匹配到结尾,则说明报文一定收取完整了。
首先我们要知道,分片之前一定是一个独立完整的ip报文,分片之后,每一个分片都必须也要有一个ip报头,因为分段信息(16位标识,3位标志,13位片偏移等)都在报头中。而不可以直接进行分片,报头跟着第一个分片。
所以假设有一个16位总长度为3000字节的ip报文,而链路层MTU设置为1500字节,所以需要对数据进行分片。
首先进行第一个分片,假设16位标识为1234,它的3位标志中的更多分片 必须设置为1,此时由于是第一个分片,所以片偏移为0,加上原本的报头,该ip报文16位总长度此时为1500.
接下来还剩下1500个纯数据,如果我们直接提取这1500个数据,然后再添加20字节的报头,此时ip报文总大小就成了1520了,大于链路层的最大限制的1500字节了。
所以只能提取前1480个字节,然后再添加上20字节的报头,此时16位标识为1234,它的3位标志中的更多分片 也必须设置为1,此时是第二个切片,片偏移为前ip报文的长度1500,加上新增加的报头(注意第一个分片是携带原本的报头,这个是新加的),该ip报文16位总长度此时为1500.
由于上一层只提取了1480个字节,还剩下20个字节的数据,我们需要对这20字节的数据添加20字节的报头,此时16位标识为1234,它的3位标志中的更多分片 设置为0(最后一个分片)。 片偏移为上一个ip报文的长度1480 + 第一个报文的长度1500 = 2980,该ip报文16位总长度此时为40.
至于偏移量,你可以理解为计算的时候,只有第一个报头算进去,其它的报头都是新增的,长度不计入偏移量中。
但是分片操作使我们严重不推荐的,因为分片会增加丢包的概率。如何彻底结局分片问题呢,后面我们在链路层会说.
IP地址分为两个部分:网络号和主机号。
可以在IP地址最后面加上一个 /,/ 后面加一个数字,代表从头到第几位属于网络标识(网络号).
例如192.168.128.10/24,代表从头到第24位属于网络标识,即“192.168.128”,后面的10属于主机号.
举个例子,只是假设,我们把ip前8位作为世界各个国家的ip开头,假设中国为1,美国为10;然后在中国国内,第二个8位再作为划分省的标识。例如河北省为1,北京为2,天津为3..,然后后面再按照相对应的县,市等进行比特位划分。
此时,在国家层面,1和10这些便算做网络号,即前8位,后面的24位算作主机号;然后在省的层面,1,2,3这些加上前面8位(1)一共16位便是网络号,后面16位便是主机号,以此类推.
其实,每个国家的IP地址,在开始的时候,就已经被划分好了,国际上的路由器都有自己的路由表,可以进行国家和国家的转发
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.
手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址,当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收,便于分配给后续新增的主机使用。
DHCP协议解决了计算机网络中的IP地址分配和配置问题, 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.
先找目标网络,再找目标主机
当数据需要从一台主机跨越网络发送到另一台主机时,通常并不是立即将数据发送到目标主机,而是将数据首先发送到目标主机所在的目标网络,然后再在该网络内部找到目标主机。
这个过程的第一步并不是寻找目标主机,而是找到目标网络。这样的设计是为了提高路由效率。如果一开始就以找目标主机为目标,那么在查找过程中每次只能排除一个主机,这样效率会很低。相反,如果首先找到目标网络,就可以一次性排除大量不在目标网络内的主机,从而显著提高检索效率。
因此,网络被划分成多个子网(也称为网段或子网络),以帮助路由器更快地确定数据包的目标位置。这种分层的方式使路由器能够更快速地决定数据包的下一跳,并将其发送到正确的网络,然后再在该网络内部找到目标主机。这种数据路由的方式被称为分层路由,它有助于提高整个互联网的性能和效率。
至于网络是如何划分的呢?
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案,就是把所有IP地址分为五类,如下图所示
因此,各类IP地址的取值范围如下:
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。
当要判断一个IP地址是属于哪一类时,只需要遍历IP地址的前五个比特位,第几个比特位最先出现0值,那么这个IP地址对应就属于A、B、C、D、E类地址。
随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,由于A类地址只能申请2^7个,数量比较少,所以大多数组织都申请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;
例如, 申请了一个B类地址, 理论上一个子网内能允许6万5千多个主机. A类地址的子网内的主机数更多.然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况. 因此大量的IP地址都被浪费掉了.
针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):
此时一个网络就被更细粒度的划分成了一个个更小的子网,通过不断的子网划分,子网中IP地址对应的主机号就越来越短,因此子网当中可用IP地址的个数也就越来越少,这也就避免了IP地址被大量浪费的情况。
比如在某一子网中将IP地址的前24位是网络号,那么该网络对应的子网掩码的32个比特位中的前24位就为1,剩下的8个比特位为0,该掩码表示就是255.255.255.0。
假设该子网中有一台主机对应的IP地址是192.168.128.10,那么将这个IP地址与该网络对应的子网掩码进行“按位与”操作后得到的就是192.168.128.0,这就是这个子网对应的网络号。
实际在用子网掩码与该子网主机的IP地址进行“按位与”操作时,本质就是保留了主机IP地址中前24个比特位,将剩下的8个比特位的值清零,即将主机号清0了,所以“按位与”后的结果就是该网络对应的网络号。
第一个例子,就是将ip地址140.252.20.68的每一位 按位与 255.255.255.0,最终得到140.252.20.0.
第二个同样地道理,将68最后一位转化成二进制是01000100,然后按位与240,转化成二进制是11110000,按位与时01000000,转换成16进制是40,10进制就是64,符合我们的预期
不是所有的ip地址都可以作为主机的ip,有些ip本身都具有特殊用途。
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.
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在一定程度上提高了ip地址的利用率,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:
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:
包含在这个范围中的, 都成为私有IP(内网ip), 其余的则称为全局IP(或公网IP);
当我们xshell连接云服务器时:
可以看到我的连接的云服务器的公网ip是182.42.111.236,然后一个公网下还会有很多子网,我们使用ifconfig命令可以查看。
可以看到我的内网ip是10.0.0.110,属于上面所说的10.*标准。
当然世界上还有很多和我一样是10.0.0.110的内网ip,但是我们的公网ip一定是不一样的.
同时我们可以按下Win+R,输入cmd,进入命令控制行,输入ipconfig,便可以看到我们的主机的内网ip.
一般来说,默认网关的地址都是*.1 ,即在当前子网内的主机号的第一位,它(网关)是用于连接不同网络的设备或系统。网关充当数据包从一个网络传输到另一个网络的中继点,它能够理解不同网络之间的协议和数据格式,以确保数据能够正确地转发和路由。
数据是如何发送到服务器的?
既然我们是内网ip,那么我们的数据是如何一步步发送到服务器的呢?
首先我们要知道:路由器是连接两个或多个网络的硬件设备,在路由器上有两种网络接口,分别是LAN口和WAN口.
可以说LAN口是负责本地这些网络设备的通信,而WAN口是负责对接上一层子网。
在大多数家庭和小型办公环境中,常见的路由器通常具有一个WAN口和多个LAN口。WAN口用于连接外部互联网,而LAN口用于连接局域网中的设备。WAN口通常是通过各种宽带接入技术(如光纤、DSL或同轴电缆)与互联网连接的,而LAN口通常是以太网接口,用于连接设备到局域网。
这张图可以助于大家理解,看左边这一部分,家用路由器的LAN口相当于是192.168.1.1(用于本地通信),他们的WAN口是相当于是运营商路由器的子网10.1.1.*
所以是这样将数据发送到服务器的:
由于私网IP不能出现在公网当中(因为私网IP会有很多重复的),因此为了解决这个问题,子网内的主机在和外网进行通信时,路由器会不断将数据包IP首部中的源IP地址替换成路由器的WAN口IP,这样逐级替换,最终数据包中的源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)。
按上面的例子,假设某一台主机192.168.1.201想要访问服务器122.77.241.3.
此时发送的ip报文中,源ip地址为192.168.1.201,目的ip地址为122.77.241.3.
经过家用路由器时,将源ip替换为它的WAN口ip:10.1.1.2,目的ip为122.77.241.3.
再经过运营商路由器时,再将源ip替换为它的WAN口ip:122.77.241.2,目的ip为122.77.241.3.
此时便成功通信了,目的ip将结果返回回来时,还是先返回给122.77.241.2,然后后面是如何解决下一步去哪里的问题,是链路层要解决的问题,我们后面再说。
那两个不同局域网中主机可不可以 不跨越公网通信?
所以数据要从一个局域网主机发送到另一个局域网主机,如果不经过公网是基本上不可能的。我们在和别人聊天的时候,也不是直接将数据从一个局域网直接发送到了另一个局域网,而是先将数据经过公网发送到了服务器,然后再由服务器将数据经过公网转发到了另一个局域网。
但现实确实存在一些技术能够使数据包在发送过程中不进行公网IP的替换,而将数据正确送到目标主机,这种技术叫做内网穿透,也叫做NAT穿透。
路由的过程, 就是“数据问路”的过程.
数据在路由的过程中,是一跳一跳经过路由器到达目的主机的。所谓 "一跳" 就是数据链路层中的一个区间,具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间.
IP数据包的传输过程也和问路一样.
针对于第二点,会有三种情况
- 路由器经过路由表查询后,得知该数据下一跳应该跳到哪一个子网。
- 路由器经过路由表查询后,没有发现匹配的子网,此时路由器会将该数据转发给默认路由。
- 路由器经过路由表查询后,得知该数据的目标网络就是当前所在的网络,此时路由器就会将该数据转给当前网络中对应的主机。
举个例子,假设你第一次到了某个地方,假设你想要去寻找河北大学,此时下了火车站,钱包什么的也被偷了,迫不得已,只能先找个人问路,那个人说先到前面那个十字路口然后左转再问别人,此时这个人相当于一个路由器,他告诉你下一跳的位置(并不是目的位置)。由于我们的目的位置是学校宿舍,所以相当于决定是 发送给了下一个路由器。所以到了十字路口左转后,然后又问了一个人,那个人说,不用找了,前面就是河北大学,然后你要找的宿舍是进门左转就看到了,这样相当于是路由器 直接发送给目标主机了。而不用继续发送给下一个路由器了。
那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢?
这个就依靠每个节点内部维护一个路由表。
路由表查询的过程
路由表可以使用route命令查看
由于这是个人电脑,不是路由器,所以展示的不是很完全。
其中:
Destination 代表的是目的网络地址。
Gateway 代表的是下一跳地址。
Genmask 代表的是子网掩码。
Flags中,U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)
G标志:表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址。如果G标志未设置,则下一跳地址被认为是数据包要到达的目标主机的地址。
H标志: 这个标志指示路由项是用于特定主机的,而不是用于整个网络或子网。当H标志置位时,路由器会将数据包直接发送到指定的目标主机,而不需要进一步进行路由选择。这种路由项通常用于处理特定主机的数据包,以提供更精确的路由。
Iface代表的是发送接口。
当IP数据包到达路由器时,首先将报头中的目的IP地址 和子网掩码Genmask进行“按位与”操作,然后将得到的结果与目的网络地址Destination 作比较,如果匹配则说明该数据包下一跳就应该跳去这个子网,此时就会将该数据包通过对应的发送接口Iface
发出。
如果整个路由表都没有结果与其匹配,即没有找到匹配的目的网络地址,此时路由器就会将这个数据包发送到默认路由,也就是路由表中目标网络地址中的default
。可以看到默认路由对应的Flags含有
G标志
,实际就是将该数据转给了另一台路由器,让该数据在另一台路由器继续进行查找路由。
这样数据包经过不断地路由后,便达到了目标主机所在的网络,然后根据主机号进行路由,便能到达目标主机了。
举个例子:
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:
转发过程例1: 如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3
- 跟第一行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符
- 再跟第二行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去;
- 由于192.168.56.0/24正 是与eth1 接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发
转发过程例2: 如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2
- 依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配;
- 按缺省路由条目, 从eth0接口发出去, 发往192.168.10.1路由器;
- 由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址
此时数据的在网络中是如何解决下一跳位置的问题便解决了,那么具体是每一条是如何做到的呢?我们下一章数据链路层便会详细介绍。