网络层(IP)

发布于：2025-02-27 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

基本概念

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  • 子网和局域网是一个概念
  • 主机: 配有 IP 地址, 也能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： 路由器和主机的统称。

背景

  1. 两主机并不是直接连接的，路径选择问题？为什么？ 由网络层（IP）解决
  2. 怎么把数据交给路由器，怎么办？ 这是局域网通信的问题，两主机是直连的，在同一个子网中，由数据链路层解决

深入理解IP

  • 公网IP在全球具有唯一性。
  • IP，比如 192.168.72.1，这是点分十进制的
  • IP地址 = 目的网络 + 目的主机号

重谈TCP和UDP

  • IP解决的核心问题是主机距离变长
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网络层报头

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  • 4位首部长度：跟TCP报头中的一样
  • 16位总长度：报文的大小

  • 如何解包？封包？
    解包：固定的20字节，然后根据4位首部长度+16为总长度来解包
    封包：根据格式封包就可以了

  • 8位协议：表示上层协议类型（UDP，TCP…）

  • 如何分用？
    根据8位协议，就可以知道交给上层的哪个协议。

  • TTL(生存时间)：报文的生存时间，每经过一个路由器都会 - -，可以防止报文在环路中一直滞留，占用资源的情况。

网段划分

  • 是什么？为什么？怎么办？

是什么？

  • 有了目的IP是不够的，网路是被** 精心设计 （子网划分）**的
    被谁设计的？ 网路服务提供商

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  • 路由器有两个IP，路由器的主机号大都为1
  • 子网是有网络号的（比如xxx.xxx.xxx.0）
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  • 子网内的IP地址,都是从哪里来的？谁给的？
    路由器有构建子网的能力
  • IP = 目标网络号+目标主机号
  • IP报文被转发：
    1. 根据目标网络，将报文转发到目标网络
    2. 转发到目标网络后，将报文在内网进行转发

为什么？

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  • 主机A将数据发送给主机B，但如何找到主机B？
  1. 线性遍历全球的主机，效率很低
  2. 主机A知道主机B的IP，将主机B的IP与主机A的网络号进行比较不相等，将数据交给路由器，路由器根据报文中目的IP查路由表，确定了主机B的网络，将报文交给相应的路由器，最后进行内网转发交给主机B。
  • 第二种方式效率高—>本质是查找—>本质是淘汰（淘汰效率高）
  • 在进入目标子网之前，不关心主机号—>报文在进行转发过程中，在进入目标网络之前，路由器只关心网络号，之后就是内网转发
  • 在进行路上路由时，路由的基本单位是网络
  • 总结，根据上面知道了为什么？ 支持网络建设，提高了淘汰率。

怎么办？

  • 以前划分网络号和主机号的方式
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子网掩码

  • 新的划分方案CIDR(Classless Interdomain Routing)

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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

特殊IP

  • 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
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IP地址不够用

  • 随着网络的发展，更多的设备需要入网，IP不够用：
    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(后面会重点介绍);
    3. 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;

公网IP和私有IP

  • 网络可以分为局域网和公网

  • 私有IP（只能用来组建局域网，私有IP不能出现在公网中）

    1. 10.*,前 8 位是网络号,共 16,777,216 个地址
    2. 172.16.到 172.31.,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 65,536 个地址

  • 公网IP不能重复

  • 在网络架设时，在内网，公网，在统一采用各自的子网掩码的方式，进行网络建设。

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运营商

基本网络情况

  • 申请IP，无论公网，内网，网络建设工作—>由运营商来做

  • 家庭路由器有构建子网的功能

  • 局域网—>不仅我们自己在做，运营商也在做

  • 路由器：有家庭的，也有企业的
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  • 路由器有两个IP：LAN口IP（对内），WAN口IP（对外）
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  • 家庭路由器出去的报文到想到达公网，需要先到运营商构建的一个更大的子网中。

  • 为什么交钱给运营商？
    我们的报文必须经过运营商的转发才能到达公网。
    运营商可以因为你欠费不让你入公网
    访问非法目标地址，会被拦截

  • 科技上网的本质就是骗过运营商，不让运营商识别出来。

内网–>公网

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  • 如果目的IP不在该子网中，会向上交付（交付给更大的子网）。

公网–>内网？（数据链路层会讲）

NAT技术

  • NAT技术为什么缓解了IP不足的问题？
    单独切分了一部分IP，只用它来做内网，这样IP地址就可以重复利用了。

全球网络

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  • 公网就是对全球公网IP进行划分的过程
  • 在路由表条目中找不到目的网路号时，就会将报文交给缺省路由

路由

  • 路由器，一定尽可能帮助我们
    1. 配置默认路由
    2. 怎么走
    3. 到达入口路由器—>之后就是根据目标主机进行内网转发
      以上都是根据目标网络进行路由
  • 路由表信息，查看路由表信息的指令是 route
  • 路由表的信息有路由表生成算法来维护
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  • IP报文的转发过程本质就是进行各个子网之间的转发
  • IP解决的核心问题：路径选择，淘汰其他子网
    1. 根据目的网络进行路由
    2. 内网转发

分片和组装

  • 为什么不把滑动窗口的数据打成一个报文呢？而是一个又一个的段报文？
    规定：数据链路层单次发送的数据帧不能超过MTU（1500）
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  • IP报文太长，IP报文会分片—>网络层自己和对方分别进行分片和组装

  • 分片好不好？

    1. 分片和组装，上层传输层不关心
    2. 分片为更多的报文，任意一个丢包，组装就是不完整的—>分片之后丢包的概率增加，所以分片不能作为网络发送的主流

  • 如何不分片？
    传输层不能发过大的报文，所以滑动窗口的数据会被分为一段一段的数据

如果分片，如何分片？

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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）**

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  • 如何判断是否是分片
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  • 是否将分片收全？
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  • 如何组装？
    组装，就说明了已经收全了，根据片偏移量就可以了。
  • 如何分片？
  1. 对IP报文的有效载荷进行分片
  2. 片偏移量（必须是8的整数倍）是数据相对于有效载荷的偏移量
  3. 分片之后，每一片就是一个IP报文
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  • 分片和组装不一定只有在通信两端才会进行，在网络中也有可能进行

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