计算机网络基础之网络层
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网络层的作用
为了实现终端节点之间的通信(将数据传输给对端的处理 / 在网络与网络互联的环境中，将数据从发送端主机发送到接收端主机)
简单来说就是：在复杂的网络环境中确定⼀个合适的路径。
网络层与它上下层之间的关系
1、网络层与传输层之间的关系：
在TCP/IP中，网络层与传输层相互协作以确保数据包能够传输到世界各地，实现可靠传输。
2、网络层与数据链路层之间的关系：
都是基于目标地址(IP/MAC)将数据发送给接收端的。但是网络层负责将整个数据发送给最终目标地址，而数据链路层只负责发送一个分段内的数据。数据链路是在互连同一种数据链路的节点之间进行包传递，而网络层可以跨越不同的数据链路，即使在不同的数据链路上也能实现两端节点之间的数据包传输。
IP地址
一、概念
IP地址用来识别TCP/IP网络中互连的主机和路由器。
IP地址分为两个部分：网络标识 + 主机标识 ---->保证唯一性。
- 网络标识：保证数据链路中相互连接的两个网段具有不同的标识。
- 主机标识：同⼀网段内, 相连的主机之间具有相同的网络标识, 但是必须有不同的主机标识。
举个例子：IP包被转发到途中的某个路由器中时，正是利用目标IP地址的网络标识进行路由。
二、分类
通过合理设置主机标识和网络标识, 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。
过去曾经提出⼀种划分网络标识和主机标识的⽅案, 把所有IP地址分为五类：
- 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
但是随着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。针对这种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)来区分网络标识和主机标识;
- 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标识;
- 网络标识和主机标识的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;
举个例子：
由此可见，IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络标识，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。
子网掩码：
- 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标识;
特殊的IP地址：
- 将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络标识, 代表这个局域网;
- 将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了干播地址, 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
私有IP和公有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 包含在这个范围中的, 都称为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP);
三、IP地址的数量限制
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：是⼀种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
- 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；
IP地址和MAC地址的区别：
- IP地址：用来识别TCP/IP网络中互连的主机和路由器（网络层）
- MAC地址：用于识别同一数据链路中互联的节点（数据链路层）
IP地址和MAC地址缺一不可。(如果只有MAC地址不用IP地址可能会导致数据包被重复发送多次）
IP地址与MAC地址的转换：
- ARP协议：从IP地址定位到MAC地址。
- RARP协议：从MAC地址定位到IP地址。
IP协议
一、定义
IP协议：基于IP地址转发分包数据，将分组数据包发送到目的主机-->因此IP能让世界上任何两台计算机之间进行通信。
（无连接、不可靠传输）
二、IP协议首部
- 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)： 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。（总长度-首部长度 = 载荷长度）
- 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, 这时候如果报⽂⻓度超过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1, 其他是0. 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, 其他报⽂的⻓度必须是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。
路由控制
一、定义
- 路由是实现将分组数据发送到最终目标地址的功能。简单来说，就是在复杂的网络结构中, 找出⼀条通往终点的路线。
- 跳(Hop)：指 网络中的一个区间，在每一个区间内决定包在下一跳被转发的路径。
- 以太网等数据链路中使用MAC地址传输数据帧，此时的一跳是指从源MAC地址到目的MAC地址之间传输帧的区间。
二、IP的工作原理
- 快递送货例子：IP数据报犹如包裹，送货车犹如数据链路，一辆送货车只能将包裹送到某个区间范围内，在每个不同区间包 裹都会由不同的送货车承载运输，直到目标地址。
三、路由控制表
当IP数据包到达路由器时, 路由器会先查看目的IP并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的⼀个路由表：
- 为了将数据包发送给目标主机，所有主机都维护着一张路由控制表，该表记录IP数据在下一步该发给哪个路由器。
- IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。
IP数据包
一、IP面向无连接
- 在发包之前，不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据，该数据会被立刻压缩成IP包发送出去。
- 面向无连接的原因：简化、提速
- IP只负责将数据发给目标主机，TCP负责保证对端主机确实收到了(应对发送时可能出现的丢包、错位等问题)
- 为了提供可靠性，上一层的TCP采用面向有连接型。(网络分层有利于每层协议的实现)
二、IP数据包分片与重组
- IP报文的分片与重组：任何一台主机都有必要对IP分片进行相应的处理。分片往往是在网络上遇到较大的报文无法一下子发送出去时才会进行处理。
- 路由器对超过下一层MTU的IP数据报进行分片操作，经过分片后的IP数据报最终由目标主机进行重组，而非路由器。
- 分片、重组都在网络层。
IP数据包的分片处理：
分片处理是指将较大的IP包分成多个较小的IP包。分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层。从IP上次层看，它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU，只需要按照源地址发送的长度接收数据包。IP就是以这种方式抽象化了数据链路层，使上层不容易看到底层的网络构造细节。
IP协议相关技术
一、DNS系统:
可以有效管理主机名和IP地址之间的对应关系的系统。(它可以维护一个用来表示组织内部主机名和IP地址之间对应关系的数据库)
- 域名解析: 主域名是用来识别主机名称和主机所属的组织机构的⼀种分层结构的名称， 域名使用 . 连接。
- 域名服务器：域名是分层结构, 域名服务器也是对应的层级结构。
- 域名解析过程：
简单的说, 过程如下:
输⼊域名后, 先查找自己主机对应的域名服务器，域名服务器先查找自己的数据库中的数据. 如果没有, 就向上级域名服务器进行查找, 依次类推; 最多回溯到根域名服务器, 肯定能找到这个域名的IP地址. 域名服务器⾃⾝也会进行⼀些缓存. 把曾经访问过的域名和对应的IP地址缓存起来, 可以加速查找过程。
二、 ARP协议：
原理：以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不在同一个链路上，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。(ARP只适用于IPv4)
工作机制：ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的。
总结：从一个IP地址发送ARP请求包以了解其MAC地址，目标地址将自己的MAC地址填入其中的ARP响应包返回到IP地址，由此可以通过ARP从IP地址获得MAC地址，实现链路内的IP通信。
MAC地址缓存：
①减少不必要的ARP包发送(每发一个IP数据报都要进行一次ARP请求确定MAC地址)。
②把获取到的MAC地址缓存一段时间，即把第一次通过ARP获取到的MAC地址作为IP对MAC的映射关系记忆到一个ARP缓存表中，下一次再向这个IP地址发送数据报时不需要再重新发送ARP请求，而是直接使用这个缓存表当中的MAC地址进行数据报的发送。每执行一次ARP，其对应的缓存内容都会被清除。不过在清除之前都可以不需要执行ARP就可以获取想要的MAC地址，这样在一定程度上也防止了ARP包在网络上被大量广播的可能性。
③不过MAC地址的缓存也是有一定的期限的，超过这个期限，缓存的内容将会被清除，这使得MAC地址与IP地址的对应关系即使发生了变化，也依然能够将数据包正确发送给目标地址。
- 在以太网发送IP包时,“下次要经由哪个路由器发送数据报”这一信息很重要，而这里的“下一个路由器”就是相应的MAC地址。
- IP地址和MAC地址缺一不可。（如果只有MAC地址不用IP地址可能会导致数据包被重复发送多次）
- RARP协议：从MAC地址定位到IP地址。
三、 ICMP协议：
原理：ICMP协议是⼀个网络层协议；⼀个新搭建好的网络, 往往需要先进行⼀个简单的测试, 来验证网络是否畅通; 但是IP协议并不提供可靠传输，如果丢包了, IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因， ICMP正是提供这种功能的协议。
功能： 1.确认IP包是否成功到达目标地址；
2.通知在发送过程中IP包被丢弃的原因；
3. ICMP也是基于IP协议工作的. 但是它并不是传输层的功能, 因此⼈们仍然把它归结为网络层协议;
4.ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6；
报文格式：
分类：ICMP大概分为两类报文： ⼀类是通知出错原因 ；一类是用于诊断查询。
消息类型：
ping命令： 验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL。（ping命令基于ICMP，在网络层）
四、NAT技术：
原理： NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是⼀种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法。
(NAT技术是解决当前IP地址不够用的主要手段, 是路由器的⼀个重要功能）
NAPT： 如果局域网内, 有多个主机都访问同⼀个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的. 那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机? 这时候NAPT使用 IP+port 来建立这个关联关系：NAT(NAPT)路由器内部有一张自动生成的用来转换地址的表。
NAT技术缺陷： 1.、无法从NAT外部向内部服务器建立连接;
2、装换表的⽣成和销毁都需要额外开销;
3、通信过程中⼀旦NAT设备异常, 即使存在容灾备份, 所有的TCP连接也都会断开;
NAT穿越：解决NAT技术缺陷的一种方法。
即使是在一个没有NAT的环境里，根据所制作的应用，用户可以完全忽略NAT的存在而进行通信。在NAT的内侧(私有IP地址一边)主机上运行的应用为了生成NAT转换表，需要先发送一个虚拟的网络包给NAT的外侧。而NAT并不知道这个虚拟的包究竟是什么，但还是会照样读取包首部中的内容并自动生成一个转换表。这时，如果过转换表构造合理，那么还能实现NAT外侧的主机与内侧的主机建立连接进行通信。有了这个方法，就可以让那些处在不同NAT内侧的主机之间也能进行相互通信。此外，应用还可以与NAT路由器进行通信生成NAT表， 并通过一定方法将NAT路由器上附属的全局IP地址传给应用。
如此一来，NAT外侧与内侧可以进行通信，这种现象叫做 “NAT穿越”。也解决了NAT“无法从NAT外部向内部服务器建立连接”的问题。