[Linux] Linux网络之网络层协议详解

末蓝、 2022-09-06 13:28 235阅读 0赞

### 目录 ###

*  1. IP协议
 *   *  1.1 概念
     *  1.2 IP协议的报头
     *  1.3 IP的分片与组装
     *   *  1.3.1 IP为什么要进行分片传输？
         *  1.3.2 如何进行分片
         *  1.3.3 如何进行组装
     *  1.4 问题
 *  2. 公有地址与私有地址
 *   *  2.1 NAT转换
     *  总结
 *  3. 路由
 *   *  3.1 路由过程
     *  3.2 路由表
 *  4. ICMP协议

网络层使用IP协议，IP协议基于IP地址转发分包数据，IP是跨网络传送数据包得，使整个互联网都能收到数据的协议。  
  网络层与数据链路层的关系。数据链路层提供两个设备之间的通信，网络层提供在整个网络中的起始地与目的地，数据链路层负责在一个网络中的两个设备的通信，而网络层提供整个网络中的通信。

# 1. IP协议 #

IP协议主要解决端到端，点到点的数据传输，即将数据经过路径选择，送达到对方主机的过程(**路由**)。  
  IP给通信双方提供了一种能力，将数据从A主机跨网络送到B主机的能力，但IP不保证可靠性，可靠性交给TCP保证。

## 1.1 概念 ##

**路由**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

> 路由是将分组数据发送到最终目标地址的功能，可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。  
> 其中路径中的到达一个一个站点的过程叫做"跳"，**一跳指利用数据链路层以下分层的功能传输数据帧的一个区间**，以太网等数据链路中使用MAC地址传输数据帧，一跳是指从源MAC地址到达目标MAC地址之间传输帧的区间。

**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。上层发送数据时，会被立即压缩成为IP包发送出去。  
> 在发送数据时，一定有传输层TCP先建立好了连接，并且**可靠性也由上层协议进行保障**。  
> 即IP只负责发送数据，可靠性有TCP保证

**IP地址**  
IP地址由两部分构成，`网络地址 + 主机地址`。  
网络地址保证相连接的每个段的地址不重复，**相同段内的主机具有相同的网络地址，但主机地址一定不同**。  
通过上述条件保证了网络中不会由两台重复的主机出现。

**IP地址的分类**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
广播地址：主机号全为`1`的地址，如果向广播地址发送信息，则这个网络号内的所有主机都能收到该信息。

**子网掩码**  
  上述的分类就由子网掩码进行标识，网络号的位置子网掩码全`1`，主机号子网掩码全为`0`。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

## 1.2 IP协议的报头 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

>  *  4位版本: 标识是协议的什么版本 ipv4
>  *  4位首部长度: 标识IP首部的大小不包含有效载荷，单位为4字节，最大长度为60字节(4*15)。如果没有有效载荷，长度就为5, 所以首部长度为 4*5=20字节。
>  *  8位服务类型: 前三位表示优先级(不使用), 中间三位表示最小延迟、最大吞吐量、最大可靠性、最小成本。最后一位保留
>  *  16总长度: 表示IP报头与有效载荷的总字节数。最大长度为 2^16=65536.
>  *  **16位标识:** 用于分片重组。同一个分片的标识相同。
>  *  **3位标志:** 标识当前分片的数据后还有没有分片信息。第一位未使用，第二位表示禁止分片，第三位表示当前分片是否为最后一片。
>  *  **13位片偏移:** 分片相对于原始数据中的位置，表示当前分片在整个数据包中的位置，用于标定分片顺序。第一个分片片偏移位0。最大的偏移位置为2^13=8192。  
>       IP数据包的最大总长度为2^16=65536个字节，计算在整个数据包中的偏移字节数量时: 偏移的字节大小=13位片偏移 \* 2^3
>  *  8位生存时间(TTL): 允许IP数据包最大经历的路由器的数量，即跳数，每经过一跳TTL-1，TTL为0时，还没有达到对端主机，就丢弃该数据包。
>  *  8位协议: 表示当前的IP数据包向上交付个哪一个协议。
>  *  16位首部校验和: 只校验数据报的首部，不校验数据部分。校验IP数据报不被破坏。
>  *  32位源地址: 表示发送端地址，在传输过程中一般情况下不会发生改变，但是私网向公网转换时可能就改变了
>  *  32位目的地址: 接收端地址

## 1.3 IP的分片与组装 ##

### 1.3.1 IP为什么要进行分片传输？ ###

因为在数据链路层中有一个MTU(最大传输单元)，指的是物理网卡一次发送数据所能承受的最大载荷，默认值为1500字节。  
  所以在IP层向下层交付数据时，总长度不能超过1500字节，即除去IP报头的长度，传输层传来的数据只能由1480个字节，如果上层超过这个长度，那么数据链路层无法一次性转发这么多数据，所以需要进行分片传输。  
  谁分片谁就进行组装。

### 1.3.2 如何进行分片 ###

如果此时有4500个字节的数据从传输层传输给IP层，那么就需要将此数据分为4片进行传输，4500只是数据的总长度，网络层进行分片时还需要加上IP协议的20个字节的报头，所以必须进行4次分片传输。

### 1.3.3 如何进行组装 ###

IP的上层协议并不知道IP进行了分片，因为上层协议不关心下层协议的实现细节，只保证能收到完整的数据包。上层协议需要知道下层的分片细节，否则无法进行组装，**需要知道同一个分组中的分片，与同一分组内分片的次序**

>  *  由3位标志位标识出哪些报文进行了分片
>  *  16位标识确定哪些分片属于一组
>  *  13位片偏移标定分片的顺序

分组时可以根据偏移确定报文是否丢失，因为IP报头中含有有效载荷的长度，可以根据片偏移与长度确定丢失的是哪一块数据。

**注意**

>   分片在网络中进行传输时，不同的分片可能走的是不同的路由，分片到达对端主机时，可能不是按照分片顺序到达的。

## 1.4 问题 ##

**1. 如何分离IP报头与有效载荷？**

> IP报头中的首部长度可以确定报头长度，16位总长度确定了数据包的总长度。总长度-报头长度=有效载荷长度。

**2. IP协议在传输TCP数据时，是否需要IP协议分片传输？**

> **TCP数据不需要网络进行分片传输**  
>   由于TCP在三次握手过程中，已经协商了各自传输的最大报文段数据长度(MSS)，而各自报文段的最大长度由各自的MTU计算得来 `MSS + TCP_header + IP_header <= MTU`.  
>   通信双方在协商时，采用最小的MSS。TCP在传递数据至网络层时，严格按照MSS进行传输，传输到网络层的数据一定是小于MTU的。所以不需要分片传输。  
>   MTU的大小由数据链路层规定，默认值为1500字节

**3. IP协议在传输UDP数据时，是否需要IP协议进行分片传输？**

> **如果发送的数据长度超过MTU需要分片传输**  
>   UDP是面向数据报，整条数据交付给网络层，UDP协议的最大传输数据是2^16=65536字节，有可能UDP递交给网络层时，就已经超过了MTU。  
>   UDP整条交付的数据大于MTU，则网络层需要进行分片传输。  
>   UDP整条交付的数据小于MTU，则网络层不需要对齐进行分片传输。

**4. 如果某一分片丢失是重发分片还是整个数据包？**

> **会重发整个数据包**，网络层并不保证可靠传输，如果分片丢失，那么在校验数据时就会不通过，则接收端会请求重发报文，因为IP并不保证可靠性，所有的可靠性都是由传输层协议保证  
> **UDP分片传输是最麻烦的**，如果UDP中的一个分片丢失，那么整个数据包就丢弃了，但是UDP没有重传机制。

# 2. 公有地址与私有地址 #

互联网中的每一个IP地址唯一标识了一台主机。但是IP地址只有32位，势必会造成IP地址不够的情况。使用NAT进行私有地址和公有地址进行转换。

![在这里插入图片描述][af6dea8bcfb04890ba0e1da794d91841.PNG_pic_center]  
私有IP最早没有计划连接互联网，而只用于互联网之外的独立网络。然而，当一种能够互换私有IP与全局IP的NAT技术诞生以后，配有私有地址的主机  
与配有全局地址的互联网主机实现了通信。

## 2.1 NAT转换 ##

>  *  静态NAT: NAT服务器，针对私网IP一对一转换为公网IP
>  *  动态NAT: NAT服务器维护多个公网IP地址，当私网主机想要访问互联网是，找一个空闲的IP地址与之转换。
> 
> 以上两种方法，转换时还是一对一的关系，并没有实质性解决IP枯竭的问题
> 
>  *  NAPT: 动态NAT重载，不仅将私网IP转换为公网IP，还需要将端口转换成为不同的端口，NAPT可以使用统一的公网IP地址，映射不同的私网IP，一个公网IP最多可以映射2^16个私网IP

## 总结 ##

>  *  NAT服务器将网络划分成了公网和私网
>  *  NAT服务器针对私网请求数据进行转换源IP地址，针对公网回复的应答数据转换目的IP地址
>  *  NAT服务器的转换，针对消息的双方是透明的，无感知的
>  *  网络请求只能由私网主机发起，进行NAT转换由公网主机应答
>  *  NAT服务器在转换之后，需要保存映射关系

# 3. 路由 #

![在这里插入图片描述][36700a51c7394dd8816331922f59ebbe.PNG_pic_center]

> 路由选择是为是网络数据选择合适的设备进行转发  
> 路由器上面的端口，WAN：是当前路由器连接的上级路由器的网口，LAN：是子网内机器连接本路由器的网口。

## 3.1 路由过程 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzcxNzUyMA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

## 3.2 路由表 ##

在转发设备内部会维护一张路由表，存储的是目标网络的网络号，默认网关，子网掩码。

过程：(目的IP地址 & 子网掩码) 与当前网络号比较，对比上说明当前的数据是想要递交给当前路由器下的某一台主机（目的主机和源主机在同一子网中）。没有对比上会经过默认网关，发送给上级路由。

路由表中的最后一行，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不匹配时，按照默认路由直接发送到下一跳。

# 4. ICMP协议 #

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;  
**ICMP功能**

>  *  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;  
>     ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_Q1NETiBA5ZOm5ZOm5ZG15ZG1_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

**ping命令** 基于ICMP实现的

>  *  注意, 此处 ping 的地址可以是域名, 而不是url! 一个域名可以通过DNS解析成IP地址.
>  *  ping命令不光能验证网络的连通性, 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live, 生存周期).
>  *  ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端;
>  *  对端接收到之后, 会返回一个 ICMP Echo Reply

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