网络层与数据链路层--一看便知

网络层

作用

• 在复杂的网络环境中确定一个合适的传输路径。

IP协议

与IP协议有关的一些概念

• IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，也是TCP/IP的载体。所有的TCP，UDP，ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。
• 主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。
• 路由器：既配有IP地址又能进行路由控制。
• 节点：主机和路由器的统称。

协议头

各个参数的含义

• 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
• 网段划分(重要)

分片和组装

为什么要分片？？

• 因为IP报文向下交付，在链路层转发时MAC帧规定它的有效载荷只能是1500字节，要是IP向下交付的报文超过1500字节，那么IP层就要分片。

怎么确定是否分片？？

• 那么怎么知道报文是否分片了呢？报头的三位标志位和13位片偏移告诉了我们答案，如果13位片偏移不是0那就表示一定有分片，三位标志位的第三位如果是 1，那也就说明有分片！！！

怎样组装？？

• 既然分片了就要在接收方的网络层进行组装，那么怎样组装呢？？
• 组装需要判断两件事：1.将分片的报文挑拣出来。 2. 区分分片是否是同一个报文&&将同一个报文的分片组装在一起。
• 将分片的报文挑拣出来，当然就是看它的13位片偏移和它的三位标志位了。
• 如何区分是同一个报文呢？？这就引出了16位标识的作用，如果是同一个报文那么它的16位标识的id是相同的，找到同一个报文的分片后，用它们的片偏移量进行排序，然后按顺序组装即可。
• 如何确定有分片的报文丢失？

网段划分

IP=网络号+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;

• 

• 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

• 因为手动管理子网内的IP，非常麻烦，所以引入了DHCP技术：它能够自动给子网内新增的主机节点分配IP地址。一般的路由器都有DHCP功能。

划分网络号和主机号的方案：

• 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

如何区分？？？

• A类的第一位是0，其他类的是1.(A类与其它类已经区分开了)
• B类的第二位是0，剩余类的是1. 以此类推，都能区分开来。

划分子网的例子：

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

私有IP地址和公网IP地址

• 注意：私有IP不能出现在公网当中！

路由

• 该过程就是在复杂的网络结构当中，找出一条通往终点的路线。(主要由路由器完成，工作在网络层)
• 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
  
• 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;
• 路由表中的第一行,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。

数据链路层

以太网

• “以太网” 不是一种具体的网络, 而是一种技术标准; 既包含了数据链路层的内容, 也包含了一些物理层的内容. 例如: 规定了网络拓扑结构, 访问控制方式, 传输速率等;
• 例如以太网中的网线必须使用双绞线; 传输速率有10M, 100M, 1000M等;
• 以太网是当前应用最广泛的局域网技术; 和以太网并列的还有令牌环网, 无线LAN等；

以太网帧格式

MAC地址与IP地址

• IP地址用来描述起点和终点；
• MAC地址描述路径上的每一个起点和终点；
• 所以在发送过程中的目的IP是一直不会变的，MAC地址过一个节点就会变一次。

MTU

• 以太网的最大传输单元(1500字节)，不同的网络MTU不同
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的;
• 数据链路层对物理层产生限制，以太网帧中的数据长度规定最小46字节,最大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充;
• 如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上,数据包长度大于拨号链路的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);

MTU对UDP的影响：
一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报.
这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加了.

MTU对TCP的影响：

• TCP的数据报也会受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS(MAX Segment Size);
• TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商;
• 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值.然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS.MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2);

MSS=MTU-20(IP首部长度)-TCP首部长度(TCP的报头里面有一个四位首部长度的字段)

查看硬件地址和MTU： ifconfing

ARP协议

ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议;
ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系.通过IP地址可以知道MAC地址。

ARP数据报的格式

• 注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。
• 硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;
• 协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址;
• 硬件地址长度对于以太网地址为6字节;
• 协议地址长度对于IP地址为4字节;
• op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答。

ARP协议工作流程：

其他重要协议或技术

DNS

• 域名解析；
• DNS是一整套从 域名映射到IP 的系统；
• 一个组织的系统管理机构, 维护系统内的每个主机的IP和主机名的对应关系.
• 如果新计算机接入网络, 将这个信息注册到数据库中;
• 用户输入域名的时候, 会自动查询DNS服务器, 由DNS服务器检索数据库, 得到对应的IP地址.

域名简介
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.

www.baidu.com ( 域名之间用 . 连接)

• com: 一级域名. 表示这是一个企业域名. 同级的还有 “net”(网络提供商), “org”(非盈利组织) 等.
• baidu: 二级域名, 公司名.
• www: 只是一种习惯用法. 之前人们在使用域名时, 往往命名成类似于ftp.xxx.xxx/www.xxx.xxx这样的格式, 来表示主机支持的协议.

ICMP(网络层)

功能：（网络诊断）

• 确认IP包是否成功到达目标地址.
• 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因.
• 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;
• ICMP只能搭配IPv4使用. 如果是IPv6的情况下, 需要是用ICMPv6;

NAT技术

用于解决IPV4协议中，IP地址数量不足的问题。

• NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP202.244.174.37;
• NAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10;
• 在NAT路由器内部, 有一张自动生成的, 用于地址转换的表;
• 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系;

NAT缺陷：

• 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;

NAPT技术

NAT技术是解决发送时的问题的，那么接收时，数据回到路由器后不知到发送给那个主机怎么办？？
这时候NAPT来解决这个问题了. 使用IP+port来建立这个关联关系

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的. 例如在TCP的情况下, 建立连接时, 就会生成这个表项; 在断开连接后, 就会删除这个表项；

代理服务器

• 正向代理：你要求代理服务器给你去公网获取资源；
• 反向代理(有缓存的作用)：你向代理服务器要资源，并不心代理服务器的资源是哪来的；
• 应用：翻墙(广域网中的代理)；；负载均衡(局域网中的代理)