【网络】IP协议

目录

感性理解

IP协议报头

解包分用

分片与组装

网段划分

为什么要进行网段划分

感性理解网段划分

特殊IP地址+IP地址的数量限制

私有IP地址和公网IP地址

路由


感性理解

1.在之前的文章中介绍了TCP协议,TCP提供了可靠传输的一系列策略(如:确认应答,超时重传.....),但是真正完成传输工作的是传输层之下的网络层和数据链路层。TCP(策略)+IP(行动) = 可靠的将数据传输到对端。

2.IP层的核心工作:IP地址可以定位主机,把数据报文从主机A跨网络送到主机B,也就是数据的路由。

3.IP = 目标网络 + 主机号(后面详细介绍)。

4.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。

IP协议报头

●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。4个比特位能够表示的十进制数据范围是【0,15】,TCP报头的总长度=4位首部长度*4字节,也就是说报头的总长度范围是【0,60】,但是报头中还包含固定大小的20字节。综上所述,报头的最终范围是【20,60】
●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。
●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, 其它片是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)。
●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: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)。

解包分用

1.报头和有效载荷分离

数据报总长度 :从IP协议报头的16位总长度字段获取。

报头长度:4位首部长度字段中的值*4。

有效载荷长度:总长度 - 报头长度。

2.如何向上交付

8位协议字段中存储的是上层协议的类型。根据这一字段有选择的向上一层交付。

分片与组装

16位标识:保证同一个报文的分片能被识别出来。

3位标志:只关注第三位,如果分片了的话,最后一个分片置为0, 其它片是1.。

13位片偏移:分片相对于原始IP报文开始处的偏移。

分片: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)。

组装:所有分片到达对端后, 会按顺序重组, 拼装到一起。分片中任意一个丢失, 接收端的重组就会失败。

●开头介绍的三个字段就能支持分片和组装:

1.怎样确定一个报文被分片了?

答:如果更多分片是1,就证明该报文被分片了。如果更多分片是0且片偏移大于0,就能说明是分片。

2.同一个报文的分片怎样确保能被识别出来?

答:根据16位标识,字段相同就是同一个报文的分片。

3.哪个分片是第一个,哪一个是最后一个?

答:更多分片是1,片偏移是0,说明是第一个分片。更多分片是0,片偏移大于0,说明是最后一个分片。

4.分片到达对端,怎样确保正确的组装。

答:根据片偏移进行升序排序。

5.怎样判断分片是否有丢失。

答:当前起始位置+自身长度如果等于下一报文中填充的片偏移大小就没有问题,反之就有丢失。

网段划分

IP地址 = 网络号+主机号。子网划分就是借用现有网段的主机位的最左边某几位作为子位,划分出多个子网。

为什么要进行网段划分

互联网中的每一台主机都要隶属于某个子网,方便定位这个主机。---- 查找效率高。

假设A国庶人张三捡到了一张身份证,张三发现这个身份证不是A国的(这个很容易对比,和自己的不一样),为了物归原主,张三把身份证上交,身份证经过层层呈递来到了天子的手中,天子经过对比发现这是C国的身份证,将其交给C国天子,C过天子在跟具身份证上的信息向下传递,最终物归原主。

上述描述比较粗糙:大致过程为A国庶民(身份证就是要传递的信息)-> .....->A国天子->跨网络传输->B国天子->.....->B国失主(物归原主)。如果丢失身份证的人不属于任何一个国家(子网),就无法定位到这个失主(主机)。

感性理解网段划分

1.网络号:保证相互连接的两个子网具有不同的标识。

2.主机号:同一子网中,主机之间具有相同的网络号,但是必须有不停的主机号。保证主机在子网中的唯一性。

3. /24(/x):表示从头到第几位属于网络号。 

4.子网不同,网络号必须配置不同的值。

1.不同的子网其实就是将网络号相同的主机放到了一起。

2.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不能和子网中其它主机重复。

3.手动的管理子网中的IP,非常麻烦。有一种叫做DHCP的技术,能够自动的给子网内新增主机节点分配IP。

4.一般的路由器都带有DHCP功能,所以路由器也可以看做是一个DHCP服务器。

●划分网络号和主机号的老方案

1. A类 0.0.0.0到127.255.255.255
2. B类 128.0.0.0到191.255.255.255
3. C类 192.0.0.0到223.255.255.255
4. D类 224.0.0.0到239.255.255.255
5. E类 240.0.0.0到247.255.255.255

上述方案中存在着一定的局限性,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(A类子网内能容纳的主机数据太多,在实际网络架设中,几乎不会存在一个子网中有这么多主机的情况,一次大量的IP地址被浪费掉了)。

●划分网络号和主机号的新方案

1.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。例如:

 上述示例子网范围:192.168.10.0 ~ 192.168.10.255。 

特殊IP地址+IP地址的数量限制

特殊IP地址

1. 将IP地址中的主机地址全部设置为0,就成为了网络号,代表这个局域网。

2. 将IP地址中的主机地址全部设置为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。

3. 127.*的IP地址用于本机环回测试,通常是127.0.0.1。

IP地址不足,三种解决方式:
1.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。

2.NAT技术。

3.IPv6: IPv4和IPv6是两个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。

私有IP地址和公网IP地址

1. 10. *,前8位是网络号,共16,777,216个地址

2. 127.16~127.31,前12位是网络号,共1,048,576个地址。

3. 192.168.* ,前16位是网络号,共65536个地址。 

4.上述范围中的地址都是私有IP地址,其余的称为公网IP地址(全局IP地址)。

通过下图理解私有IP和公网IP:

1.上述图中的路由器中分为家用路由器和运营商路由器。

2.每一个家用路由器,其实又可以作为运营商路由器子网中的一个节点。最外层的运营商路由器,WAN口IP就是一个公网IP。

3.一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。

4.子网内的主机IP地址不能重复,但是子网之间的IP地址可以重复。

5.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)。

路由

●路由的过程

从一个MAC地址到另一个MAC地址。假设把源IP到目的IP比作终极目标的话,源MAC到目标MAC就是为了达到终极目标而完成的阶段性目标。

●IP数据包的传输过程

1.当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP。
2.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。
3.重复上述动作, 一直到达目标IP地址。

●如何判定当前这个数据包该发送到哪里。

1.每个节点内部都维护了一个路由表。

2.路由表的字段介绍:

Destination: 目的地址,可以是主机地址、网络地址,常用的是网络地址。

Gateway: 网关地址,所有未知地址都会找网关,网关统一转发。

Genmask:目的地址的子网掩码。

Iface: 接口,去往目的地址的网络路径的出口(也就是从那个出口可以去往目的地址)。

路由表工作流程:

1.遍历路由表。

2.确定目标网络号,目的IP&子网掩码获取网络号。

3.和destination一栏对比,相同则通过Iface发出报文。不相同继续向下对比。

4.最终没有对比到,由网关转发。

5.需要注意的是,在路由的过程中,网络号的位数是越来越长的,因为正在逐步接近最终目标。

本图文内容来源于网友网络收集整理提供,作为学习参考使用,版权属于原作者。
THE END
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