教育门户网站建设,wordpress免费 主题,特价做网站,公司网站维护价格表2023文章目录 基本概念路径选择主机和路由器 IP协议格式分片与组装网段划分IP地址的数量限制私网IP地址和公网IP地址深入认识局域网路由 基本概念
TCP作为传输层控制协议#xff0c;其保证的是数据传输的可靠性和传输效率#xff0c;但TCP提供的仅仅是数据传输的策略#xff0c… 文章目录 基本概念路径选择主机和路由器 IP协议格式分片与组装网段划分IP地址的数量限制私网IP地址和公网IP地址深入认识局域网路由 基本概念
TCP作为传输层控制协议其保证的是数据传输的可靠性和传输效率但TCP提供的仅仅是数据传输的策略而真正负责数据在网络中传输的其实是传输层以下的网络层和数据链路层。
双方在进行网络通信时发送的数据并不是直接从一方的传输层直接发送到了另一方的传输层而是需要传输层将数据继续向下进行交付在网络层和数据链路层经过数据封装后再通过网络发送到对方主机对方主机收到数据后也同样需要在链路层和网络层进行数据解包此时对方的传输层才拿到了发送过来的数据然后再继续将该数据向上进行交付。
在网络层有能力将数据发送到对方主机的情况下虽然网络层不能保证每次都能将数据成功的送到对方主机但在TCP提供的可靠性策略保证下最终网络层就一定能都将数据可靠的发送到对方主机。
说明一下
网络层解决的问题是将数据从一台主机送到另一台主机因此网络层解决的是主机到主机的问题。一方传输层从上方进程拿到数据后将该数据贯穿网络协议栈进行封装和解包最终到达对方传输层此时对方传输层也会将数据向上交付给对应的进程因此传输层解决的是进程到进程的问题。 路径选择
数据在进行网络传输一般都是跨网络的而路由器就是连接多个网络的硬件设备因此数据在进行跨网络传输时一定需要经过多个路由器。 数据路由 是指当我们确定了要到达的目的主机后就需要寻找最短的路径到达该目的地。确定数据路由的目的后数据就可以在网络中进行路由了但数据在路由时无法自行进行路径选择。因此数据在路由的过程中是需要不断 “找路人问路”而这里所谓的 “路人” 就是网络当中的一台台路由器。
路由器可以通过查路由表找到去特定点的最短路径因此数据在路由的过程中会不断通过路由器来进行路径选择以此来一步步靠近目标网络或目标主机。 主机和路由器 主机: 配有IP地址但是不进行路由控制的设备但实际现在几乎不存在不进行路由控制的设备因为就连我们平常使用的笔记本也会进行路由控制。路由器: 既配有IP地址又能进行路由控制实际现在主流的路由器已经不仅仅拥有路由的功能了他甚至具有某些应用层的功能。节点: 主机和路由器的统称。 IP协议格式 4 位版本号version指定 IP 协议的版本对于 IPv4 来说就是 4。4 位首部长度header length表示IP报头的长度以4字节为单位。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报文IP报头有效载荷 的总长度用于将各个IP报文进行分离。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表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片表示如果报文长度超过MTUIP模块就会丢弃该报文。第三位表示“更多分片”如果报文没有进行分片则该字段设置为0如果报文进行了分片则除了最后一个分片报文设置为0以外其余分片报文均设置为1。13位片偏移framegament offset分片相对于原始数据开始处的偏移表示当前分片在原数据中的偏移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进行校验来鉴别数据报首部是否损坏但不检验数据部分。32位源IP地址和32位目的IP地址表示发送端和接收端所对应的IP地址。选项字段不定长最多40字节。
IP报头在内核当中本质上就是一个位段类型给数据封装IP报头时实际上就是用该位段类型定义一个变量然后填充IP报头当中的各个属性字段最后将这个IP报头拷贝到数据的首部至此便完成了IP报头的封装。 IP协议如何将报头和有效载荷分离
IP 报文是由固定的 20 字节的报头、选项字段和数据组成的。当收到一个 IP 报文时先读取 IP 报文的前 20 个字节再根据 4 位首部长度来判断该报文是否有选项字段。如果有则继续读取选项字段。读取完选项字段这样就完成解包即报头与有效载荷分离。 IP协议如何将有效载荷交付给上一层哪一个协议
在IP报头当中有一个字段叫做8位协议该字段表示的就是上层协议的类型IP就是根据该字段判定应该将分离出来的有效载荷交付给上层的哪一个协议的该字段是发送方的IP层从上层传输层获取到数据后填充的比如是上层TCP交给IP层的数据那么该数据在封装IP报头时的8位协议填充的就是TCP对应的编号。 32位源IP地址和32位目的IP地址
数据在网络传输过程中会遇到一个一个的路由器这些路由器会帮助网络当中的数据进行路由转发使得网络当中的数据慢慢趋近于目标主机路由器在帮助数据进行路由转发时会提取出该数据的IP报头当中的目的IP地址并以此作为数据路由转发的重要依据。
当接收方收到了发送端发送过来的数据是接收方可能也想要给发送方发送数据因此发送端在发送数据时除了需要知名该数据的目的IP地址还需要指明该数据的源IP地址也就是发送端的IP地址即使接收端收到数据后没有数据项要发送给发送端但至少接收端需要向发送端发送一个响应报文表明发送端发送的数据已经被接收端可靠的收到了因此发送出去的数据除了需要指明该数据的目的IP地址还需要指明该数据的源IP地址。
这里我们需要注意的是发送数据时我们不需要指明发送方的源IP地址和源端口号因为传输层和网络层都是在操作系统内核当中实现的数据在进行封装时系统会自行填充上对应的源IP地址和源端口号。 分片与组装
数据链路层由于物理特性的原因一般无法转发太大的数据因此数据链路层对转发到网络的报文大小有限制称之为 MTUMaximum Transmission Unit最大传输单元一般是 1500 字节。 如果 IP 报文超过了 MTU就需要对 IP 报文进行 分片。分片的行为是在网络层进行的同样数据的 组装 也是在网络层进行的。IP 报文分片和组装的行为传输层是不知道也不关心的。
分片 当IP层的数据超过1500字节时需要现在IP层对该数据进行分片然后再将分片后的数据交给下层MAC帧进行发送。 组装 如果在发送数据时在IP层进行了分片那么当这些分片数据到达对端主机的IP层后就需要先进行组装然后再将组装好的数据交付给上层。 数据的分片不是经常需要做的实际在网络通信过程中不分片才是常态因为数据分片会存在一些潜在的问题比如分片可能会增加丢包的概率。数据的分片和组装发生在IP层不仅源端主机可能会对数据进行分片数据在路由过程中的路由器也可能对数据进行分片。因为不同网络的MTU是不一样的如果传输路径上的某个网络的MTU比源端网络的MTU小那么路由器就可能对IP数据报再次进行分片。分片数据的组装只会发生在目的端的IP层。在分片的数据中每一个分片在IP层都会被添加上对应的IP报头而传输层添加的报头只会出现在第一个分片中因此网络中传输的数据包可能没有传输层的报头。 IP报文的分片 16 位标识id是 IP 报文的序号。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。如果 16 位标识不相同则说明它们不是同一个 IP 报文。 3 位标志字段中的第一位是保留的而第二位为 1 表示禁止分片主要用来探测数据链路层的最大传输单元。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。 IP报文的组装 分片这种行为并不是主流如果分片了就会大大增加丢包的概率。 能够从众多报文中识别出哪些是不同的报文哪些是相同的报文这个可以通过 16 位标识来区分。不同的报文标识是不同的。而相同报文的分片标识是相同的。 能够识别报文是否被分片与是否没有被分片如果报文没有被分片那么更多分片标志位位 0 并且 13 位片偏移为 0。 如果更多分片标志位是 1则表明该报文被分片了。 能够识别出分片是原始报文中的哪一部分如果更多分片标志位为 1片偏移为 0则表示该分片是报文的开始部分。而如果更多分片标志位为 0片偏移不为 0则表示该分片是报文的结尾部分。如果更多分片标志位为 1片偏移不为 0则表示该分片是报文的中间部分。中间部分的分片可能会有多个那如何保证收齐了这些分片呢其实可以根据偏移量进行升序排序然后扫描全部分片来判断分片是否收齐。因为下一个分片的偏移量等于上一个分片的偏移量 上一个分片的大小如果分片没有收齐那么一定不符合这个关系那么中间的分片就一定有丢失的。 异常处理如果有分片丢失需要能够识别出来。
为什么不建议进行分片
如果一个数据在网络传输过程中没有经过分片那么只要接收端收到了这一个报文我们就可以认为该数据被对方可靠的收到了。而如果一个数据在网络传输过程中进行了分片那么只有当接收端收到了全部的分片报文并将其成功组装起来这时我们才认为该数据被对方可靠的收到了。但如果众多的分片报文当中有一个报文出现了丢包就会导致接收端就无法将报文成功组装起来这时接收端会将收到的分片报文全部丢弃此时传输层TCP会因为收不到对方应答而进行超时重传。假设在网络传输时丢包的概率是万分之一如果将数据拆分为一百份进行发送那么此时丢包的概率就上升到了百分之一。因为只要有一个分片报文丢包了也就等同于这个报文整体丢失了因此分片会增加传输层重传数据的概率。
需要注意的是只要分片报文当中的某一个出现了丢包此时传输层都需要将数据整体进行重传因为传输层并不知道底层IP对数据进行了分片当传输层发送出去的数据得不到应答时传输层就只能将数据整体进行重传因此数据在发送时不建议进行分片。
MAC帧的有效载荷最大为MTUTCP的有效载荷最大为MSS由于TCP和IP常规情况下报头的长度都是20字节因此一般情况下 MSS MTU - 20 - 20而MTU的值一般是1500字节因此MSS的值一般就是1460字节。
所以一般建议TCP将发送的数据控制在1460字节以内此时就能够降低数据分片的可能性。之所以说是降低数据分片的可能性是因为每个网络的链路层对应的MTU可能是不同的如果数据在传输过程中进入到了一个MTU较小的网络那么该数据仍然可能需要在路由器中进行分片。 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子网其实就是把所有网络号相同的主机放到一起而路由器则是局域网内的第一天主机将不同的子网连接起来能够进行不同子网的路由转发。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。在进行路由转发时网络号是在不断地变大并且收敛的直至找到目标主机所在的区域。将 IP 地址分为网络号和主机号的原因是方便定位一台主机提高查找的效率。 上图中路由器连接了两个网段对于网络标识来讲同一网段内主机的网络标识是不同的而对于主机标识来讲同一网段内主机的主机标识是不同的不同网段内主机的主机标识是可以相同的。
动态主机配置协议Dynamic Host Configuration Protocol简称 DHCP 是一种计算机网络协议它用于在网络中自动分配 IP 地址和其他网络配置参数以便网络设备如计算机、手机、打印机等能够在加入网络时获得所需的网络配置信息。DHCP 能够简化网络管理使得设备的连接和配置更加便捷。
DHCP 协议的优势在于它简化了网络中的 IP 地址管理减轻了网络管理员的负担并且使设备的添加和移除更加灵活和方便。同时DHCP 也支持 IP 地址重用即设备离开网络后它分配的 IP 地址可以被其他设备再次使用充分利用 IP 地址资源。
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。当设备加入网络时它会向路由器发送一个 DHCP 请求请求一个可用的 IP 地址。所以当我们连接WiFi时需要输入密码本质就是因为路由器需要验证我们的账号和密码当验证通过时那么路由器就会给我们动态分配一个IP地址然后我们就可以基于这个IP地址进行各种上网动作了。 网段划分
过去曾提出一种划分网络号和主机号的方案就是把所有的IP地址分为5类如下图所示 A 类0.0.0.0 到 127.255.255.255B 类128.0.0.0 到 191.255.255.255C 类192.0.0.0 到 223.255.255.255D 类224.0.0.0 到 239.255.255.255E 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。
为了避免这种情况于是又提出了新的划分方案称为CIDRClassless Interdomain Routing
CIDR 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。 可见 IP 地址与子网掩码做与运算可以得到网络号主机号从全 0 到全 1 就是子网的地址范围。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。
因为路由器至少要连接两个不同的子网而每个网络的网络号是不同的那么每个路由器都需要给自己直接连接的网络配置对应的子网掩码。有了子网掩码给不同的路由器配置不同位数的子网掩码也就能够看到不同的网络号了。那么只需要将目的 IP 地址与路由器子网掩码进行按位与操作就能够得到该报文要去的目的网络了。 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。127.0.0.1 表示本地回环地址用于测试网络接口是否正常工作。
本地回环的目的就是将数据自顶向下贯穿协议栈进行一次数据封装的过程然后再自底向上贯穿协议栈进行一次解包和分用的过程用于测试本地网络功能是否正常。 IP地址的数量限制
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。所以32亿个IP地址其实早就不够用了因此才提出了CIDR的方案对已经划分好的五类网络继续进行子网划分其目的就是为了减小IP地址的浪费。
CIDR 在一定程度上缓解了 IP 地址不够用的问题但是仍然不够用因此解决IP地址不足有以下几种方式 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避免了IP地址强绑定于某一台设备。NAT技术 能够让不同局域网当中同时存在两个相同的IP地址NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击隐藏并保护网络内部的计算机。IPv6 IPv6用16字节128位来表示一个IP地址能够大大缓解IP地址不足的问题。但IPv6并不是IPv4的简单升级版它们是互不相干的两个协议彼此并不兼容因此目前IPv6还没有普及。 私网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。 10.*前 8 位是网络号共 16777216 个地址。 172.16.到172.31.前 12 位是网络号共 1048576 个地址。 192.168.*前 16 位是网络号共 65536 个地址。 包含在这个范围中的 IP 地址都成为私有 IP其余的则称为全局 IP 或公网 IP。 我们上网时为什么不是给互联网公司交钱而是给运行商交钱 实际网络通信的基础设施都是运营商搭建的我们访问服务器的数据并不是直接发送到了对应的服务器而是需要经过运营商建设的各种基站以及各种路由器最终数据才能到达对应的服务器。 因为运营商为我们提供了通信的基础设施所以我们交网费实际就相当于购买入网许可一样。 没有运营商提供的这些基础设施就不会诞生所谓的互联网公司因为互联网公司是诞生在网络通信基础之上的。
也就是说用户上网的数据首先必须经过运营商的相关网络设备然后才能发送到互联网公司对应的服务器。因此所谓的网段划分、子网划分等工作实际都是运营商做的。
为什么我们访问不了 Google、Facebook、YouTube 等网站呢 因为我们国家是有墙的其学术名称为防火长城Great FirewallGFW。当你以www.google.com的方式来访问谷歌时运营商可以直接不给你提供域名解析服务。或者当你直接使用公网 IP 地址的方式来访问谷歌运营商识别出来可以直接拦截你的请求。 深入认识局域网
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
LAN口Local Area Network 表示连接本地网络的端口主要与家庭网络当中的交换机、集线器或PC相连。WAN口Wide Area Network表示连接广域网的端口一般指互联网。
LAN口的IP地址叫做LAN口IP也叫做子网IPWAN口的IP地址叫做WAN口IP也叫做外网IP。
我们使用的电脑、家用路由器、运营商路由器、广域网以及我们要访问的服务器之间的关系大致如下 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。这样IPv4 地址不足的问题就能够大大地缓解了。只要发放一个公网 IP 组建一个局域网局域网内部的主机就使用子网 IP 来表示即可。同一个局域网内的两台主机能够直接通信。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的 WAN 口 IP 就是一个公网 IP 了。子网内的主机需要和公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 NATNetwork 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公网 IP 的服务器上。 访问公网的过程
假设我们主机的 IP 地址是192.168.1.201要访问的服务器的 IP 地址是122.77.241.3。我们将上网请求交给家用路由器家用路由器发现我们要访问的 IP 地址是122.77.241.3就将这个网络请求交给最外层的运行商路由器这样网络请求就到达了公网。然后运行商路由器发现目的 IP 是122.77.241.3最后就将该网络请求转发给这台服务器了。需要注意的是每经过一个运营商的内网路由器时都要将报文中的源 IP 地址替换成该路由器的 WAN 口 IP。当报文出现在公网上就不再需要做替换了。
当服务器处理完网络请求后服务器似乎只能够将响应转发给最外层的路由器无法将响应转发给用户的主机。但并不是这样的这个需要我们知道后面的内容才能够了解清楚。 两个局域网当中的主机不能不跨公网进行通信 两个局域网当中的主机理论上是不能不跨公网进行通信的因为一个主机要将数据发送给另一台主机的前提是得先知道另一台主机的IP地址。 即便现在这个主机知道了另一台主机的IP地址但有可能这两台主机的IP地址是一样的因为它们的IP地址都是私网IP地址。 当这一台主机发送数据时将目的IP地址填成和自己相同的IP地址操作系统就会认为这个数据就是要发给自己的而不会向外进行发送了。 所以数据要从一个局域网发送到另一个局域网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。
但实际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
路由过程 是指在计算机网络中数据包从源设备发送到目标设备的过程其中涉及到多个网络设备如路由器和交换机的协作工作以确保数据包能够正确地从源地址到目标地址进行传输。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。 IP数据包的传输过程中会遇到很多路由器当 IP 数据包到达路由器时路由器会先查看目的 IP。然后路由器才会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如此反复一直达到目标 IP 所在的局域。
路由器的查找结果可能有以下三种
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就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发给当前网络中对应的主机。 路由表查询的具体过程
每个路由器内部都会维护一个路由表我们可以通过route命令查看云服务器上对应的路由表。 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。Iface代表的是发送接口。 当IP数据包到达路由器时路由器就会用该数据的目的IP地址依次与路由表中的子网掩码 Genmask进行“按位与”操作然后将结果与子网掩码对应的目的网络地址Destination进行比对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。
如果将该数据包的目的IP地址与子网掩码进行“按位与”后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是UG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路由。
数据包不断经过路由器路由后最终就能到达目标主机所在的目标网络此时就不再根据该数据包目的IP地址当中的网络号进行路由了而是根据目的IP地址当中的主机号进行路由最终根据该数据包对应的主机号就能将数据发送给目标主机了。 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。路由表相关的生成算法距离向量算法、LS 算法、Dijkstra 算法等。
IP 协议只是依据目的 IP 地址、子网划分、路由表查找与路由算法提供了数据转发的策略并没有实现设备转发的具体功能。具体的设备转发就是局域网内数据转发的问题这是由下一层数据链路层来解决的。
