计算机网络 --- IP

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1. IP

1.1 IP 首部的格式

• 版本: 表示的是 IP 首部的版本号. IPv4 的版本号为 4
• 首部长度: 当没有可选项时, IP 首部的长度为 20 字节.
• 服务类型: 由8位组成,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
• 总长度: 字段长 16 比特,因此 IP 包的最大长度位 65535 .
• 标识: (ID) 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) 长度为3位. 第一位保留(未使用)现在必须是0。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"，如果位0就是最后一个分片,为1就是后面还有.
• 片偏移: 用于标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置.第一个分片对应的值为0
• 生存时间: (TTL) 这个字段表示一个 IP 数据报最多在网络上存活多久.每经过一个路由器,TTL会减少1,直到变成0则丢弃该包.
• 协议: 指的是当前的数据被接收方收到之后,分用的时候,要把 载荷 内容交给传输层的哪个协议
• 首部校验和: 类似于 CRC 这样的东西,此处只需要校验首部即可,载荷部分已经由其他协议校验过了.
• 源地址: 32位比特构成,表示发送端 IP 地址
• 目标地址: 32位比特构成,表示接收端 IP 地址

注: IPv6使用 16 个字节表示 IP 地址.

1.2 解决IP地址不够用的问题.

① 动态分配 IP

一个设备接入网络了,就分配.没接入网络就不分配.
(并不能彻底解决这个问题)

② NAT 机制. 网络地址替换

使用一个 IP 地址,来代表一批主机.

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
• 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全 局IP；
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；

局域网 IP :

1. 10.*
2. 172.16.* ~ 172.31.*
3. 192.168.*

NAT IP 转换的过程

• NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
• 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；

NAPT

那么问题来了，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？
使用IP+port来建立这个关联关系

NAT技术的缺陷

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；
• 转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；

1.3 网段划分

要求一个局域网里的主机,网络号要相同,主机号不相同.
两个相邻的局域网,网络号必须不相同.

• 网络号: 标识网段, 保证相互连接的两个网段具有不同的标识
• 主机号: 标识主机,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

1.4 子网掩码

子网掩码非常有特点.左半部分都是 1,右半部分都是 0.
然后把子网掩码和ip地址进行按位与运算,得到的结果就是网络号.

计算方式

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。
十进制二进制IP地址180.210.242.13110110100.11010010.11110010.10000011子网掩码255.255.248.011111111.11111111.11111000.00000000网络号180.210.240.010110100.11010010.11110000.00000000主机号0.0.2.13100000000.00000000.00000010.10000011

1.5 特殊的 IP 地址

1. 如果是主机号为 全0, 这个 IP 就表示网络号,表示当前这个网段
2. 如果是主机号为 1,这个 IP 通常表示当前网段的"网关".(路由器的出入口)
3. 如果是主机号为 全1,这个 IP 表示"广播 IP"
4. 127.* (127.0.0.1 环回 IP 表示本机)

2. 数据链路层

2.1 以太网帧格式

• 这里的"目的地址"指的是 mac地址
• 这里的"源地址"指的是 IP地址
• 帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
• 帧末尾是CRC校验码

2.2 MAC 地址

• MAC地址用来识别数据链路层中相连的节点；
• 长度为48位，及6个字节。一般用16进制数字加上冒号的形式来表示（例如：08:00:27:03:fb:19）
• 在网卡出厂时就确定了，不能修改。虚拟机中的MAC地址不是真实的MAC地址，可能会冲突；也有些网卡支持用户配置MAC地址

2.3 MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。

• 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，要在后面补填充位；
• 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）；
• 不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

MTU 对 IP 协议的影响.

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

• 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
• 每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
• 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为0，否则置为1）；
• 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
• 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

MTU 对 UDP 协议的影响.

• 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 协议的影响.

• TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于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。
• 最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
• 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）；

2.4 ARP 协议

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

• 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
• 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
• 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址

ARP协议的工作流程

• 源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）；
• 目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
• 每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

3. DNS

什么是DNS

DNS，即Domain Name System，域名系统。DNS是一整套从域名映射到IP的系统。

域名是一个字符串，如 www.baidu.com ， hr.nowcoder.com
域名系统为一个树形结构的系统，包含多个根节点。其中：

1. 根节点即为根域名服务器，最早IPv4的根域名服务器全球只有13台，IPv6在此基础上扩充了 数量。
2. 子节点主要由各级DNS服务器，或DNS缓存构成。 DNS域名服务器，即提供域名转换为IP地址的服务器。 浏览器、主机系统、路由器中都保存有DNS缓存。 Windows系统的DNS缓存在 C:\Windows\System32\drivers\etc\hosts 文件中，Mac/Linux系统的DNS缓存在 /etc/hosts 文件中。

当下 DNS 服务器顶不住全世界访问.

解决办法1

浏览器/客户端本身对域名解析结果会进行缓存.
这样就避免了大量的不必要的 DNS 请求

解决办法2

DNS 服务器也不是只有一台! 而是有多台~也叫做,根域名服务器.

解决办法3

为了更进一步的降低压力,各种网络运营商,也会构建自己的域名服务器镜像.

解决办法4

针对 DNS 服务器做镜像的时候还可以按照域名来进行进一步的划分.

4. 面试题

从浏览器中输入一个 URL 之后,都发生了哪些事情?

1. 根据输入的域名,查询对应的 IP 地址

• 查询浏览器自身缓存是否有对应的IP
• 查询系统文件( hosts 文件)是否有对应的IP
• 查询路由器缓存是否有对应的IP
• 查询 DNS 服务器

1. 构造一个 HTTP 请求

• 首先进行 TCP 三次握手,建立连接
• 传输层把这个 TCP数据 进行封装交给网络层,网络层把这个 TCP数据封装成 IP 数据报交给数据链路层,数据链路层再把这个数据封装成 以太网数据帧,(此时就涉及到了 IP地址映射到 MAC地址,依赖了 ARP 协议),交给物理层,物理层把这个数据转换成电信号,继续传输
• 物理层又将数据交给数据链路层,数据链路层解析数据之后又交给网络层,路由器拿到了网络层中的 IP 数据报,取出其中的目的 IP, 查询路由表,找到下一个传输的目标,进而找到下一个要出书目标的MAC地址.再次进行封装.
• 此时数据又达到了接收方,数据又要进行分用.物理层把光电信号转成以太网数据帧交给数据链路层.数据链路层解析出 IP 数据报交给网络层,IP 协议再进行解析,解析出 TCP 数据报,再根据 TCP 数据报中的端口号,找到对应的进程,把数据就放入到对应的socket 的接收缓冲区里

1. 解析 HTTP 请求并响应

• 应用程序调用对应的 socket api,从 TCP 接收缓冲区里读取数据,应用层把这个数据按照 HTTP 协议来解析,获取到其中的 URL.根据 URL 中指定的路径,知道了是要获取到 / 这个根路径
• 服务器就会对 / 这个路径进行配置,映射到一个具体的html文件.服务器就会读取这个文件,把这个文件内容构造成一个 HTTP 响应数据,然后再调用 socket api进行发送
• 又重复进行封装分用.最终发送到达用户主机.
• 用户主机重复分用之后,把数据取出来交给应用程序.

1. 根据得到的 HTTP 响应报文,解析这个报文,获取到其中 HTML 内容
2. 根据 HTML 进行渲染.