3. 网络层
网络层要做的事情主要是两方面:
1)、地址管理:制定一系列的规则,通过地址,描述出网络上一个设备的位置;
2)、路由选择:网络环境是比较复杂的,从一个节点到另一个节点之间,存在很多条不同的路径,就需要通过这种方式,筛选/规划出更合适的路径进行数据传输;
3.1 IP 协议
3.1.1 学习ip协议报头
ip协议报头如下图所示:
四位版本:
4-> ip v4;
6 -> ip v6;一般来说大规模使用的版本就是这两种4位首部长度:
IP 协议的报头,也是变长的;即0-0xf => *4 => 0-60 字节;
8位服务类型:
能够让IP 协议切换形态;即3位优先权字段(已经弃用),4位TOS字段(这四个位,彼此之间是冲突的,只有一位设为 1,不同的位设为 1,表示 IP 协议不同的形态.4种形态分别是最小延时,最大吞吐量,最高可靠性,最小成本),和1位保留字段(必须置为0);
16位总长度(字节数):
描述了 IP 数据包最长是多长;IP 协议确实也存在 64KB 这样的限制, 但是 IP 协议自身支持"拆包组包"功能;
16位标识:如果一个大的 IP 数据包需要拆成多个小的,此时拆出来的这多个小包,16 位标识就是相同的数值
3位标志:有一位表示是否允许拆包个包,还有一位表示是否是最后一个包(类似于单链表的结束标记
13位偏移量:描述当前每个小的数据包(分片)相对位置
通过这三个属性,来支持 IP 协议的拆包和组包;
8位生存时间(TTL):
描述了这个 IP 数据包,在网络上还能继续存活多久;TTL 的单位,是次数,数据包构造出来的时候,TTL 会被设置成一个初始值(32,64,128....),数据包在转发过程中,每次经过一个路由器转发,TTL 就会 -1;如果这个数据包, 已经把 TTL 耗尽了,还没有顺利到达对方,就会被丢弃掉;
8位协议:
描述的是,IP 数据包的载荷部分,是一个 UDP 数据包还是 TCP 数据包(传输层是哪个协议)
16位首部检验和:
这个校验和,只是校验 IP 首部,不管 IP 数据的载荷(UDP/TCP 这样的数据, 自身都是有校验和的)
32位源IP地址:
32位目的IP地址:
IP 地址,本质上就是一个 32位二进制的整数,为了方便人来理解,写作点分十进制方式,
3.2 地址管理
3.2.1 ip地址的了解
IP 地址,是一个 32 位的整数. 即2^32 => 42亿9千万个网络地址,理论上来说,是不应该重复的!但是物联网发展到今天,能上网的设备非常非常多的,且早就超过了 42亿9千万这个数字,为了解决ip地址不够用,就有了下面的措施:
方案一:动态分配 IP
这个方案,治标不治本。提高了 IP 地址的利用率,但是并没有增加 IP 地址的数目.(虽然这是一个过度方案,但是这个方案目前仍然是广泛存在的)
方案二:NAT 机制 (网络地址转换)
本质上是让一个 IP 地址来代表一批设备;
把 IP 地址分成两个大类:
1) 、内网 IP (局域网 IP)
如果一个 IP 地址,是以 10.*或者 172.16.*~~172.31*或者 192.168.*(符合上述条件之一,该IP 就是内网 IP),在同一个局域网内部,内网IP 之间不能重复,但是在不同的局域网中,内网 IP 之间是可以重复的。
2) 、外网 IP (广域网 IP)
剩下的 IP 就都是外网 IP,外网 IP 则始终都不允许重复, 务必唯一;
3.2.2 NAT的工作机制
此时,运营商路由器,也是一个 NAT 设备,就能够对当前这里的源 IP 进行替换.(内网IP无法在广域网上使用) ,运营商路由器,NAT 设备,就相当于一个中转站;
如果当前局域网内,有多个主机, 都访问同一个网站服务器,此时服务器返回的响应经过当前的路由器之后,要交还给哪个主机呢?
若是两个主机在发送ip数据报时,ip和端口一样时,如下图所示:
当前的网络环境,就是以 NAT + 动态分配的方式来解决 IP 地址不够用的问题的.
NAT 机制,最大的优势,"纯软件的方案”,也正是因为这个机制,局域网内部的设备,能够主动访问外网的设备,外网的设备无法主动访问局域网内部的设备;
方案三:IPv6
IPv6 使用 16 个字节来表示IP 地址.该方案从根本上解决了问题,大幅度的提升了IP 地址的个数;
3.3 网段划分
把一个 IP 地址,会分成两个部分:网络号(标识了一个局域网)+ 主机号(标识了局域网中的一个设备),详情如下所示:
综上所述,同一个局域网中的设备,网络号必须相同.主机号必须不同;这两个相邻的局域网(通过一个路由器,连接的两个局域网),网络号不能相同;
192.168.1.10对于上述的一个 IP 地址,哪个部分是网络号,哪个部分是主机号,不一定的.子网掩码,就是用来确定网络号的,详细情况如下图所示:
上面是带有子网掩码的网段划分,是当下的网络环境现状,下图是一个"上古时期"的网段划分方式;
1、如果一个 IP 地址,主机号全0,当前这个 IP 就表示“网络号”,如192.168.100.0和255.255.255.0,这是该ip代表一个局域网的,是不能给一个具体的主机分配这个 IP 的;
2、如果一个 IP 地址,主机号全 1, 表示当前这个 IP 就是一个"广播址",如192.168.100.255,该ip也不能给具体的主机分配的;(前面说 UDP 天然能支持 广播,就是和这个 IP 有关系,使用 UDP socket 给这个地址发送 UDP 数据报,此时局域网中所有的设备,都能收到这个数据报,TCP 则无法和这个地址,建立连接)
3、如果一个IP 是 127 开头的,此时这个 IP 就是"环回 ip"(loopback),127.0.0.1(最常用的),都表示“"设备自身” 自己发给自己;(操作系统提供了一个特殊的"虚拟网卡",关联到了这个 IP 上)
3.4 路由选择
路由选择, 就是描述了 IP 协议(IP 数据报) 转发过程,从 A->B,中间可能有很多条可行的路径,但是具体怎么走的实际路径;
进行IP 数据报转发的时候,每个路由器,都是无法知道网络的“全貌”,只知道一些局部信息.(一个路由器能知道哪些设备和它自己是相连的),这就意味着 IP 数据在转发过程中,是一个"探索式”"启发式"过程--->所以这个过程,很难给出"最优解" 只能是"较优解”;
一个网络层的数据报,每次到达一个路由器,也会进行上述"问路"过程,每一个路由器内部都有一个数据结构“路由表”,根据数据报中的目的IP,查路由表,如果查到了(问的人,恰好知道咋走),就直接按照路由表给定的方向(从哪个网络接口进行转发),继续转发就行了;如果没查到(问的人,不知道咋走),路由表里面有一个"默认的表项”(下一跳地址),按照默认的表项转发即可;
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