网络层、运输层复习

ゝ一纸荒年。 2021-11-23 14:10 561阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  以太网帧（Frame）格式
     *   *  ARP协议：用来识别主机ip地址和mac地址的映射
     *  网络层数据包(Packet,也叫分组)格式
     *   *  ip协议
     *  传输层协议格式
     *   *  UDP数据报（Datagram）格式
         *  TCP数据段（Segment）格式
     *  nat映射和打洞
     *   *  nat映射
         *  nat打洞
     *  socket编程
     *   *  服务器最小代码实现

前两天中兴电话面试竟然问了网络模型分层这个不疼不痒的题目，尴尬的是还记得tcp/ip模型是4层，但当时怎么数都是5层（被谢希仁的5层模型洗脑了），看来还是得复习复习  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70][]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
tcp首部封装了端口号，ip首部封装了IP地址，以太网首部封装了主机的物理mac地址。

## 以太网帧（Frame）格式 ##

其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令看一下，“HWaddr00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位（padding）。最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU，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）。ifconfig命令的输出中也有“MTU:1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧首部的长度。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### ARP协议：用来识别主机ip地址和mac地址的映射 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
例子：现在，1希望向4发送hello。arp先工作，构造以太网帧（arp数据报）。  
目的mac不知道，用6个FF（6个字节）填充，6字节。  
填充源mac，6字节。  
类型为0806，2字节。  
然后是空位8字节。  
然后是6字节源mac，4字节源ip，6字节目的mac，4字节目的ip。  
构造好之后发送。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
现在交换机上相连的主机都得到了这个以太网帧。  
只有目的mac是自己主机的mac，或者是6个FF时，这些主机才会接收；否则直接丢弃。  
如果目的mac是6个FF，接受之后这些主机会查看目的ip，只有主机4的目的ip能对应上，它需要回应主机1一个包，把源mac设置为自己的mac，而且主机1的mac已经获得了，所以这个回应的以太网帧只有主机1接收。

综上，arp协议就是通过ip地址来获得mac地址。  
之后arp就不再用了，两个主机之间靠mac地址通信。

## 网络层数据包(Packet,也叫分组)格式 ##

### ip协议 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
ip在网络层，解决的主要问题还是数据要送到哪个主机上。  
ipv4地址占4个字节。  
下面看ip分组：

*  ip首部占20个字节：
    
    1.  4位版本，描述是ipv4还是ipv6
    2.  4位首部长度，首部默认是20个字节，如果有选项，首部会变长（还是4字节的倍数）
    3.  8位服务类型，用来获得更好的服务.这个字段在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直没有被使用过.1998年IETF把这个字段改名为区分服务 DS(Differentiated Services).只有在使用区分服务时,这个字段才起作用.
    4.  16位总长度，总长度指首都及数据之和的长度,单位为字节.因为总长度字段为 16位,所以ip分组的最大长度为 2^16-1=65 535字节。在IP层下面的每一种数据链路层都有自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度,即最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit)。当一个ip分组封装成链路层的帧时,此ip分组的总长度 (即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值，否则要分片。
    5.  16位标识，IP软件在存储器中维持一个计数器,每产生一个ip分组,计数器就加 1,并将此值赋给标识字段.但这个"标识"并不是序号,因为 IP是无连接的服务,ip分组不存在按序接收的问题.当ip分组由于长度超过网络的 MTU 而必须分片时,这个标识字段的值就被复制到所有的ip分组的标识字段中.相同的标识字段的值使分片后的各ip分组的分片最后能正确地重装成为原来的ip分组.
    6.  3位标志，但目前只有2位有意义. 标志字段中的最低位记为 MF(More Fragment).MF=1即表示后面"还有分片"的ip分组.MF=0表示这已是若干ip分组的分片中的最后一个.标志字段中间的一位记为DF(Don’t Fragment),意思是"不能分片",只有当 DF=0时才允许分片.
    7.  13位偏移，较长的分组在分片后,某片在原分组中的相对位置.也就是说,相对用户数据字段的起点,该片从何处开始.片偏移以 8个字节为偏移单位,这就是说，每个分片的长度一定是 8字节(64位)的整数倍.
    8.  8位生存时间TTL（下一跳），生存时间字段常用的英文缩写是TTL(Time To Live),其表明ip分组在网络中的寿命.由发出ip分组的源点设置这个字段.其目的是防止无法交付的ip分组无限制地在因特网中兜圈子,因而白白消耗网络资源.最初的设计是以秒作为 TTL的单位.每经过一个路由器时,就把TTL减去ip分组在路由器消耗掉的一段时间.若ip分组在路由器消耗的时间小于 1 秒,就把TTL值减 1.当 TTL值为 0时,就丢弃这个ip分组.
    9.  8位协议，协议字段指出此ip分组携带的数据是使用何种协议,以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程.
    10. 16位校验和，这个字段只检验ip分组的首部,但不包括数据部分。这是因为ip分组每经过一个路由器，都要重新计算一下首都检验和 (一些字段,如生存时间,标志,片偏移等都可能发生变化)，不检验数据部分可减少计算的工作量.
    11. 32位源ip地址。
    12. 32位目的ip地址。

例子：用户向新浪服务器发送hello  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
ip分组首先到达路由器100.100.100.1，然后有一个选择路径的问题。路由器先拆包，路由器在网络层工作，mac地址没用，直接丢掉，TTL减1，然后看目的ip是谁，然后路由器查路由表选路(不展开讨论)，选择A路由器，转发需要以太网协议，所以还得加上源mac地址和目的mac地址，这时的源mac地址就是路由器自己的mac地址，目的mac地址就是路由器A的mac地址；ip这一层不动。  
直到送到新浪服务器；TTL为0时还没到达，被最后一个路由器丢弃（不再转发）。

## 传输层协议格式 ##

### UDP数据报（Datagram）格式 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
可以看到，UDP协议头部8个字节：

*  16位源端口号
 *  16位目的端口号
 *  16位UDP长度
 *  16位UDP校验和

UDP协议非常简单，最重要的就是端口号的概念，端口号最大是 2^16=65536  
例子：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

### TCP数据段（Segment）格式 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

*  16位源端口号
 *  16位目的端口号
 *  32位序号
 *  32位确认序号
 *  4位首部长度，以4字节为单位
 *  保留6位
 *  URG
 *  ACK
 *  PSH
 *  RST
 *  SYN
 *  FIN
 *  16位窗口大小
 *  16位校验和
 *  16位紧急指针

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

## nat映射和打洞 ##

### nat映射 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
内网访问外网ip地址时，网关会做一个NAT映射，将内网ip映射成外网ip，同时依靠端口映射将外网的数据传递给内网的主机。

### nat打洞 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
假设小明和小红两个内网ip通过qq进行视频聊天。二者登录qq时，qq客户端向qq服务器发送数据，qq服务器记录二者的公网ip和端口，此时小明和小红如果要视频聊天可以通过第三方服务器（qq服务器）进行中转，但是数据多转了一手就会造成不必要的延时和卡顿。所以希望小明和小红的客户端直接互相访问。此时又有一个情况，如果内网没有向外网进行数据请求时，他们各自的网关会拦截外部的访问数据（防止攻击），所以小明和小红需要先从qq服务器获得彼此的公网ip和端口，然后小明给小红发送一条信息，这条信息虽然被小红丢弃了，但是在这之后小红给小明发送的数据小明都能接收到；同理，小红给小明先发送一条数据，这条数据被丢弃，然后小明给小红的数据小红都能接收到。这个技术叫**nat打洞**。qq服务器在这个建立连接过程中扮演了一个提供公网ip和端口的角色，所以第三方服务器是必要的。  
此外，如果小红和小明的公网ip相同，证明他们在同一内网，就不需要打洞技术了。小明和小红可以告知彼此的内网ip进行数据传输。

## socket编程 ##

### 服务器最小代码实现 ###

TCP IP协议栈都是在内核态实现的，协议栈什么都有，socket就相当于协议栈实例化的一个对象，因为socket指定了以太网协议，ipv4/ipv6，tcp/udp等。  
**cs模型：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl8zNjA0OTUwNg_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

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