计算机网络篇——网络层

计算机网络系列

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IP协议

IP协议的作用

网络层的主要作用是“实现终端节点之间的通信”，也就是点对点的通信。IP协议主要负责将数据包发送给最终的目标计算机。前面我们讲过链路层主要是负责数据在链路中进行传输，那么网络层和链路层有什么联系呢？

举个栗子，把链路层比作各种交通轨道，它可以把世界各地的交通连接起来并传输，但是它并没有规定始发地和目的地， 而网络层就相当于你的车票，车票上有始发地和目的地，把车票交给链路层，它就知道你的需求，就把你运输到相应的目的地，而具体通过什么交通工具（采用什么链路层协议），网络层是不关心的，只要你能安全送达就可以了。

IP地址

IP地址（IPv4）由32位正整数来表示。通常每一个主机都被分配了一个这样的IP地址。IP地址分为“网络标识”和“主机标识”两部分，根据“网络标识”的位数对IP地址进行了分类。

IP地址的分类

• A类地址从1到8位是网络标识，后28位是主机标识，以“0”开头，所以它的十进制表示范围是0.0.0.0~127.0.0.0。（十进制二进制的转换这个不用说吧）
• B类地址从1到16位是网络标识，以“10”开头，所以它的十进制表示范围是128.0.0.1~191.255.0.0
• C类地址从1到24位为它的网络标识，以“110”开头，它的十进制表示范围是192.168.0.0~239.255.255.0。
• D类地址的32位都是网络标识，它没有主机标识，以“1110”开头，它常被用于多播。

多播：多播可以把数据包同时发送给指定的多台主机，因此它的效率高于广播，且它能穿透路由，所以可以向其它网络发送数据包。

用一张图来说明一下单播、多播与广播的区别：

单播、多播与广播的区别

子网掩码

由于IP地址的分类，对IP地址造成了极大的浪费（一个A类地址可以有1600多万的主机，但是一个B类地址只能有6万多的主机，而C类地址的主机上限则为254个），显然这样划分也是不够灵活的，所以就产生了一种子网掩码的技术，来对IP地址进行更加灵活、细粒度更高的划分。

子网掩码用二进制表示的话，也是32位，它对应IP地址网络标识的位全为1，主机标识位全为0。

使用子网掩码来划分IP地址

由图可以看到，子网掩码可以把一个B类IP地址的网络号扩展到了26位（10位子网掩码），此时根据网络号就可以划分不同的子网，每个子网也可以分配一定数量的主机。

路由控制

路由控制(Routing)是指将分组数据发送到目标地址的功能，这个功能一般由路由器完成。(不要与家里用的小型无线路由器混为一谈)

路由器通过保存路由表，来对路由进行控制。类似于你在旅行的时候，你想要从A到B，但是A和B中间还有很多其它的城市，你要通过哪些城市才能顺利从A到B呢，路由表就是保存着这些“航线”信息。

IP地址与路由控制

如图，主机A想把数据包发送给目标地址为10.1.2.10的主机B，它先通过查找它的路由，然后根据路由表的信息把数据包发送给默认路（IP地址为0.0.0.0/0表示默认路由）由10.1.1.1的路由器1。然后路由器1查找它的路由表，通过对比可以知道，目标地址10.1.2.10与圈出的地址最为吻合（一般采用最长匹配法则）。然后路由器1继续讲数据包转发给地址为10.1.0.2的路由器2，然后一直转发知道转发给目标主机B。

IP分割处理与再构处理

在数据链路层中，其实每一种数据链路都有它的最大传输单元（MTU），所以如果你传输的数据包大于了数据链路的最大传输单元，就需要对它进行分割。

IP报文的分片与重组

路径MTU发现

由于分片机制，会对路由器带来强大的负担，而且如果在分片处理中某个分片丢失，会造成整个IP报文作废。因此就产生了“路径MTU发现”技术。路径MTU发现其实就是从发送主机按照路径MTU的大小将数据报进行分片后进行发送。

路径MTU发现的机制

在发送端发送IP数据报时，会将其首部的分片禁止标志位设置为1，根据这个标志，途中的路由器即使遇到需要分片才能处理的打包，也不会去分片。而是将包丢弃，随后通过一个ICMP的不可达消息将数据链路上MTU值发送给发送主机。下一次发送主机就会根据这个MTU值进行分片

重组

接收端根据IP首部中的标志(Flag)和片偏移(Fragment Offset)进行数据重组。

IP的首部（IPv4）

IPv4的首部

首部结构比较复杂，说几个重要一点的吧。

• 版本（Version）：由4bit构成，标识IP首部的版本号。如IPv4的版本号位4，IPv6的版本号为6.

• 总长度（Total Length）：标识IP首部与数据部分合起来的总字节数。该字段长16bit，因此IP包的最大长度为65535（2^16）字节。

• 标识：用于分片重组。同一个分片的标识值相同，不同分片的标识值不同。

• 标志（Flags）：由3bit组成，表示包被分片的相关信息。每一位的含义如下

  
  标志段各位含义

• 片偏移：标识被分片的每一分段相对于原始数据的位置，单位为8字节。

• 生存时间（TTL）：记录当前包在网络上应该生存的期限。每经过一个路由器，它的值就会减一，当变为0则丢弃该包。

• 协议：表示IP首部下一个首部的协议。即传输层的协议。

• 首部校验和：用于检查首部部分是否被破坏。

IPv6

IPv6是为了解决IPv4地址耗尽而产生，它的长度是IPv4的4倍，即128bit，一般写成8个16位字节。

IPv6的特点

• IP地址的扩大与路由表控制的聚合
  IP地址依然适应互联网的分层构造。分配与其地址结构相适应的IP地址，尽可能避免路由表膨大
• 性能提升
  包首部长度采用固定的值（40字节），不再采用首部检验码。简化首部结构，减轻路由负荷。
• 支持即插即用功能
• 采用认证与加密功能
• 多播、Mobile IP成为扩展

IP协议的相关技术

IP旨在让最终目标主机收到数据包，但是仅凭IP协议是无法完成这一工作的。如怎样解析主机名称和MAC地址，以及数据包在发送过程中产生异常如何处理。所以还有一些很重要的技术来帮助IP一起工作。

DNS（域名解析系统）

我们平常在访问某个网站的时候都不是使用的IP地址，而是通过“网址”来进行访问，那么计算机网络如何通过“网址”来寻找对应的主机呢？这就是DNS的工作了。所谓的“网址”，其中包含的最重要的信息就是域名，域名是指为了识别主机名称和组织机构名称的一种具有分层的名称。它和IP地址都可以对应一台主机，DNS协议的作用就是将域名转换为IP地址，以方便寻找对应的主机。

DNS查询

如图所示，计算机要访问某个网站时，它都是向DNS服务器查询IP地址，然后DNS服务器按层进行查询。

ARP

ARP是以目标IP地址为索引，来定位下一个应该接受数据分包的网络设备的对应的MAC地址，简单点说，ARP就是用来进行IP地址到MAC地址的对应。

ARP的工作原理：简单点说，ARP就是通过ARP请求与ARP响应两种包来确定MAC地址。

ARP工作机制

如上所示，每次发送请求前都需要先发送ARP请求来确定MAC地址，这样的效率就太低了。所以通常的做法是把获取到的MAC地址缓存一段时间。一般来说，一旦源主机向目标地址发送一个数据包，接下来继续发送多次的概率非常大，因此这种缓存非常容易命中。

为什么要同时有MAC地址和IP地址？

肯定有人会产生这样的疑问，明明通过IP地址就可以确定一条主机了，为什么还要有MAC地址？

如果在相同的链路中，确实通过广播就能发送到对应的主机，此时，仅仅使用IP地址也能工作。但是如果两台通信的主机处于不同的链路上，此时就得通过路由器来进行转发，而路由器是工作在链路层的，此时你想把数据报发送哦出去，必须得先发送给路由器的MAC地址。

MAC地址与IP地址的作用

此外，假如不适用IP地址，而是通过MAC地址连接世界上所有网络中的主机和结点，我们想象一下，网桥和交换机等设备得维护一张多么大的表格来保存所有MAC地址。

NAT和NAPT

NAT是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术，它实际上是为正在面临的IPv4地址枯竭而产生。

NAT

在NAT路由器内部，有一张自动生成的用来转换地址的表。当10.0.0.10向163.221.120.9发送第一个包时生成这张表，并按照表中的映射关系进行处理。但是这样对应的话好像并没有完全减少全局IP地址的数量，如果私有网络中多台主机要和外部通信时，很可能造成全局IP不够用的情况，此时，就可以用包含端口号一起转换方式（NAPT）。

NAPT

此时，在转换IP地址的同时，再加上端口号进行区分，就可以节省很多全局IP地址了（同一全局IP地址对应不同端口号不同私有IP地址）。

不管是 NAT 还是 NAPT，都需要路由器路由器内部维护一张自动生成的地址转换表。以 TCP 为例，建立 TCP 连接首次握手的 SYN 包发出时会生成这个表，关闭连接时会发出 FIN 包，收到这个包的应答时转换表被删除。