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[网络协议]IP协议学习总结

IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：
100.4.5.6。
IP地址是由网络号 + 主机号组成的；

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；
通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。

分类在这里插入图片描述

注：主机最大连接数减2，时扣除主机号全为0和全为1的特殊IP地址
特殊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
本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

子网掩码

子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。

子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如以上子网掩码也可以表示为24。

将IP地址和子网掩码进行按位与就得到的是网络号
将子网掩码按位取反，再和IP地址相与得到的是主机号

IP地址可以这样表示：180.210.242.131/21
21表示子网掩码前21位为1

IP协议

在这里插入图片描述

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。

NAT（Network Address Translation）

上面提到的IP地址分类会造成IP地址数量不充足，有大量浪费。
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能：

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

NAT IP转换过程

在这里插入图片描述

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？

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
在这里插入图片描述

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。

NAT技术的缺陷

由于NAT依赖这个转换表，所以有诸多限制：

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

MAC地址

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。

主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或以上网卡；起中每个网卡都有唯一的一个MAC地址。
网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。

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。

特殊的MAC地址：
广播数据报：发送以个广播数据报，表示对同网段所有主句发送数据报。广播数据报的MAC地址为：FF:FF:FF:FF:FF:FF

一跳一跳的网络数据传输

主机B传输数据到主机C
在这里插入图片描述

主机：配有IP地址，但不进行路由控制；
路由器：配有IP地址，能进行路由控制；
节点：主机和路由的同称。
集线器和二层交换机不会对数据报封装和分用，不算在下一跳设备里

网络数据在传输的过程中类似唐僧西天取经，

唐僧去西天取经，行程为长安、五指山、黑风山、女儿国……大雷音寺。
IP地址描述的是路途总体的起点和终点：(长期目标)

源IP就是整个行程的起点：长安；
目的IP对应为整个行程的终点：大雷音寺

而行进也必须一个地点一个地点的前进，由MAC地址来描述路途上每一个区间的起点和终点：(短期目标)

从长安到五指山，为一跳的区间，源MAC为长安，目的MAC为五指山；
从五指山到黑风山，为下一跳的区间，源MAC为五指山，目的MAC为黑风山。

IP地址描述的是路途总体的起点和终点，是给人使用的网络逻辑地址；
MAC地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即每一跳的起点和终点，是给网络硬件设备使用的网络物理地址。

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

在这里插入图片描述

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；
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。

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1，否则置为0）；
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对于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

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协议的作用

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

ARP缓存表和ARP寻址：
ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。
在数据链路层，寻找下一跳设备MAC地址的过程，称为ARP寻址：

主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表：通过IP地址可以找到对应的MAC地址。
根据下一跳设备的IP地址，在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址，则可以设置目的MAC并发送数据报。
如果找不到，则发送ARP广播数据报：目的MAC为广播地址，询问下一跳设备的MAC地址。

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

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