网络层IP协议
- 1. IP协议的基本认识
- 2. IP协议如何进主机定位和报文转发
- 3. IP分片和组装
- 4. IP协议报头格式
- 5. 网段划分
- 6. 私有 IP 地址和公网 IP 地址
- 7. IP地址数量限制问题
- 8. NAT网络地址转换机制
- 9. 路由转发
1. IP协议的基本认识
IP协议的主要作用是将数据从源传送到目的地,它提供了在相互连接的网络系统上从一个源到一个目的地传输比特数据包(互联网数据包)所必需的功能。但是这个能力不一定是可靠的,也就说他可能出现传输失败的情况,所有这里需要与TCP协议相结合,也就是说一点IP协议传输失败了,但是TCP是保证可靠性的,那么TCP就再次向网络层发送数据重新传输一次。
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;
P大致分为三大作用模块:
- IP寻址
- 路由控制
- IP分包和组包
2. IP协议如何进主机定位和报文转发
- 根据目的IP,进行局域网内之间的转发。
- 在局域网内,进行内网转发。
上面的过程就类似于,我们从一个城市到达另一个城市一样。首先我们要从大的方面来找,先到这个城市所在的省份,再从细的方面来找,定位到具体的城市。
所以到这里我们也可以推断出 IP = 目标子网 + 目标主机
3. IP分片和组装
我们在讲IP协议的时候提到了,在滑动窗口发送数据是为什么是一次发1000字节,而不是一次性发送滑动窗口的大小数据。是因为在链路层中规定的发送的数据一次性不能超过1500字节。那玩意传输成就是给网络层发送了超过1500字节的数据呢?这个时候在网络层,为了防止直接发送导致掉包的情况,在网络层支持将数据进行分批次的发送,也就是分片。
- 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 除以 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外(之前如果都是 8 的整数倍,最后一片的
偏移量也一定是 8 的整数倍), 其他报文的长度必须是 8 的整数倍(否则报文就不连续了).- 注意:片偏移(13 位)表示本片数据在它所属的原始数据报数据区中的偏移量(以 8 字节为单位)
分片
- 检查 MTU 限制:
○ 当一个 IP 数据报的大小超过了网络的 MTU(最大传输单元)限制时,就需要进行分片。MTU 是数据链路层对 IP 层数据包进行封装时所能接受的最大数据长度。 - 分割数据报:
○ IP 层将原始的 IP 数据报分割成多个较小的片段。
○ 对于每个片段,IP 层会设置相应的标识(Identification)、偏移量(Fragment Offset)和标志位(Flags)等字段。
○ 标识字段用于标识属于同一个数据报的不同分片,确保所有分片能够被正确地重新组装。
○ 偏移量字段指示了当前分片相对于原始数据报的起始位置,以 8 字节为单位。
○ 标志位字段包含了 3 个位,其中 MF(More Fragment)位用于指示是否还有更多的分片,DF(Do Not Fragment)位用于指示数据报是否允许进行分片。 - 添加 IP 头部:
○ 每个分片都会加上自己的 IP 头部,与完整 IP 报文拥有类似的 IP 头结构,但MF 和 Fragment Offset 等字段的值会有所不同。 - 发送分片:
○ 分片在传输过程中独立传输,每个分片都有自己的 IP 头部,并且各自独立地选择路由。
组装
- 接收分片:
○ 当目的主机的 IP 层接收到这些分片后,会根据标识字段将属于同一个数据报的所有分片挑选出来。 - 排序与组装:
○ 利用片偏移字段,IP 层会对属于同一个数据报的分片进行排序。
○ 当所有的分片都到达并正确排序后,IP 层会将这些分片重新组装成一个完整的 IP 数据报。 - 传递给上层协议:
○ 组装好的 IP 数据报会传递给上层的协议进行处理。
4. IP协议报头格式
- 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).
- 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): 略
报文如何分离呢?
分析报文如何分离其实我们之前将http,TCP的时候也是讲过了,这里同样也不列外。在协议报头字段中我们同样可以看到4位首部长度,二首部长度固定是20字节,4位首部长度的大小是[0, 15]但是这个是以4字节为单位的,也就是[0, 60]字节,因此如果报文不带选项的话4位首部长度应该是0101。所以如果要进行报文分离只需要提取4位首部长度即可做到分离。
如何进行交付呢?
在协议字段中8位协议字段表示的是上层协议的类型,也就是说明了IP上层是谁把数据交付给我的,那么到了发过去的时候也就知道交付给谁了。
5. 网段划分
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;
数据转发定位的过程就是先按照网络号定位到与该网络号相同的局域网中,因为同一局域网中所有的主机的网络号都是形同的,只有主机号是不同的,然后就可以根据主机号定位到具体的某一台主机。
- 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. 那么问题来了, 手动管理子网内的 IP, 是一个相当麻烦的事情.
- 有一种技术叫做 DHCP, 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.
如何进行网段划分(子网,公网)
分类划分法
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有 IP 地址分为五类, 如下图所示(该图出 自[TCPIP])。
- 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; 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.
子网掩码
针对上述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;
例如:
网络号的计算方式:
将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作(二进制相同位,与操作,两个都是1结果为1,否则为0),得到的结果就是网络号。将子网掩码二进制按位取反,再与 IP 地址按位与计算,得到的就是主机号。
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
-
本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会走网络的方式传输),对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言,常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。
6. 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。
包含以下这个范围中的, 都成为私有 IP(内网,子网,局域网), 其余的则称为全局 IP(或公网 IP);
- 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
- 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(通常都是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).
- 如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网 IP 的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.
7. IP地址数量限制问题
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. 这意味着, 一共只有 43 亿台主机能接入网络么?
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 在一定程度上缓解了 IP 地址不够用的问题(提高了利用率, 减少了浪费, 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:
- 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(后面会重点介绍);
- 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 还没有完全普及;
8. NAT网络地址转换机制
NAT简介
NAT技术是一种网络技术,主要用于在不同网络之间转换IP地址,旨在解决IPv4地址短缺的问题,同时增强网络安全性和提高网络性能。NAT(Network Address Translation,网络地址转换)技术主要分为静态NAT、动态NAT和端口地址转换(PAT)等类型。静态NAT实现一对一映射,将一个私有IP地址映射到一个公共IP地址;动态NAT动态分配公共IP地址给私有IP地址,使得多个私有IP地址可以共享少量公共IP地址;PAT通过修改源端口号或目的端口号,实现多个内部主机共享一个公共IP地址。
工作原理 NAT IP 转换
- NAT设备位于私有网络和公共网络之间,其工作原理包括:内部主机发送数据包到外部网络时,数据包首先到达NAT设备,根据配置规则,NAT设备将源IP地址和端口号进行转换,并将转换后的数据包发送到外部网络。外部网络返回响应数据包时,NAT设备将目的IP地址和端口号进行逆转换,再将数据包发送回内部网络。
- 因为在私网中的不同局域网是可以出现相同的私有IP的,并且私有IP是不能出现在公网里的。而要将数据进行在私网和公网之间进行数据交换,同时还得满足前面的条件的话,及必须把有一种技术将私网IP地址给替换,也就是和WAN口IP进行替换,这就是NAT机制的功能。
- NAT 能够将私有 IP 对外通信时转为全局 IP. 也就是就是一种将私有 IP 和全局IP 相互转化的技术方法:
- 很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有 IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局 IP;
- 全局 IP 要求唯一, 但是私有 IP 不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有 IP是完全不影响的;
例1:
这样做的好处就是我们可以使用一个公网IP,这个公网IP可以连接多个局域网,二局域网中的IP的地址是可以出现重复的,这也就大大提高了IP地址的复用性,在一定程度上变向的解决了IP地址不足的情况。
那么问题来了,在同一个子网中的主机能不能同行呢?及比如上述的WAN口IP=10.1.1.2和WAN口IP=10.1.1.3所在的的子网下的主机能不能通信呢?原则上是不能的,因为不同子网下的主机IP是可以相同的,所以原则上是找不到的。那他们是怎么通信的呢?我们那QQ聊天,两个人在两个客户端进行聊天,他们都必须要经过服务器才能进行聊天,所以服务器是部署在公网中的,也就是说,在不同局域网中的主机需要通过部署在公网中的服务器转发才能进行通信。
NAPT 转换
回到上面的问题,在内网中我们可以通过NAT技术通过替换源IP来到达公网IP从而找到目标主机。但是,去容易,回来呢?回来的时候因为内外网中的主机在不同的子网中的IP是可以重复的,所以即使我们我们知道了要回到那个IP主机,我们也不知道该去那个子网中的IP主机。
这里其实路由器内部做了一个工作,建立了一张双向映射表即NAPT 转换。
运用场景
NAT技术的应用场景广泛,包括家庭网络、企业网络、公共Wi-Fi热点等。在家庭网络中,家庭路由器使用NAT技术让多台设备共享一个公共IP地址上网;在企业网络中,通过NAT技术隐藏内部拓扑结构,增加网络安全性;在公共Wi-Fi热点中,利用NAT技术让多个用户共享一个公共IP地址访问互联网。此外,NAT技术还通过提高与公有网络连接的灵活性,确保可靠的公有网络连接,实施多池、备用池和负载均衡池等措施来提高灵活性
NAT技术的缺点
- 无法从 NAT 外部向内部服务器建立连接;
- 装换表的生成和销毁都需要额外开销;
- 通信过程中一旦 NAT 设备异常, 即使存在热备, 所有的 TCP 连接也都会断开;
9. 路由转发
路由转发其实就可以类比我们一个城市去往另一个城市的例子,也就是找到一条快速方便的路径到达目的地。
路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) “问路” 的过程. 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.(有关MAC的知识点我们在网络知识1中有详细讲解)
P 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;
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;
- 路由表可以使用 route 命令查看
- 如果目的 IP 命中了路由表, 就直接转发即可;
- 路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:
- 这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到 192.168.10.0/24 网络,另一个网络接口连到 192.168.56.0/24 网络;
路由表的 Destination 是目的网络地址,Genmask 是子网掩码,Gateway 是下一跳地址,Iface 是发送接口,Flags 中的 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,没有 G 标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;
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;
路由表生成算法
路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由). 例如距离向量算法, LS 算法, Dijkstra 算法等.
标签:子网,网段,主机,IP,地址,NAT,分片 From: https://blog.csdn.net/qq_74276498/article/details/140722751