IP协议

IP协议头格式

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表示大的数字是15, 因此IP头部大长度是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, 大吞吐量, 高可靠性, 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, 小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 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. 64K
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, 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.
选项字段(不定长, 多40字节): 略

网络层

功能：地址管理与路由选择

路由选择

在复杂的网络传输中对数据的传输选择一条合适路径

IP地址不能随意分配，因为随意分配就有很大概率造成IP地址冲突(数据无法发送)
解决方法：将IP地址的分配规范起来
每个路由器都能够组建一个局域网，这个局域网就应该具有自己的网络标识(网络号)，这个路由器向自己组建的局域网中的主机分配的IP地址都应该包含这个网络标识
同时为了在局域网中，能够唯一标识一个主机，IP地址中还应该包含主机标识(主机号)
IP地址的组成：网络号+主机号
IP地址的分配规范起来后，只需要对网络号的取值进行规范就可以了，相邻的网络不能具备相同的网络号
一个路由器上相连的所有网络网络号不能相同，因为这些网络都属于相邻网络，数据到了路由器上之后，一旦网络号冲突就会导致路由器不知道数据该给谁

网段的划分

IP地址分为两个部分, 网络号和主机号

网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
主机号: 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;

早期将IP地址划分为五类

A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址;

例如, 申请了一个B类地址, 理论上一个子网内能允许6万5千多个主机. A类地址的子网内的主机数更多.
然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况. 因此大量的IP地址都被浪费掉了.

现在的网段划分

CIDR(Classless Interdomain Routing):

引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
子网掩码也是一个32位的正整数. 通常用一串 “0” 来结尾;
将IP地址和子网掩码进行 “按位与” 操作, 得到的结果就是网络号;
网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;

示例

有一个网络ip：192.168.122.132，netmask：255.255.255.0；现在要将这个网络平均划分为四个子网，请问每个子网ip地址范围以及子网掩码
解：

 通过ip地址和子网掩码得到的原网络的主机号个数：256通过ip地址和子网掩码得到原网络的网络号192.168.122.0平均划分四个子网，则每个子网主机号个数64个；0~63 就是00111111按位取反子网掩码 = 255.255.255.192192.168.122.0 ~ 192.168.122.63   255.255.255.192192.168.122.64 ~ 192.168.122.127 192.168.122.128 ~ 192.168.122.191192.168.122.192 ~ 192.168.122.255

注意事项

相邻的网络不能具有相同的网络号
RFC1918规定，能够用于组建私网的网段，只有以下几种网段：

10.*.*.*   172.16.*.* ~ 172.31.*.*  192.168.*.*

特殊的ip地址

主机号全为1的IP地址：192.168.122.132 255.255.255.0 局域网的udp广播地址例如：192.168.122.255
主机号全为0的IP地址：网络号—标识一个网络例如：192.168.122.0
每一个局域网中，这两个主机号是不能分配给主机的，意味着主机号虽然有256个，但是能够分配给主机的只有254个
127.0.0.1 本地回环网卡地址----虚拟网卡地址—用于本机内的网络回环测试

注意事项

一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP).
路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是子网之间的IP地址就可以重复了
每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级, 外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP
子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换).
如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.

路由选择

当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;
依次反复, 一直到达目标IP地址

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表;

路由表

路由表可以使用route命令查看
如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可;
路由表中的后一行,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其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址

链路层

功能:负责相邻设备结点之间的数据帧传输；eth–以太网协议；交换机

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

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
2字节上层协议类型
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。

MAC地址：

物理网卡设备的硬件地址 uint8_t mac[6],负责定位相邻的设备

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. mac地址通常是唯一的(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).

MTU–最大传输单元

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小46字节,大1500字节,ARP数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位;
大值1500称为以太网的大传输单元(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
udp传输过程中，任意一个分片出问题，整个数据包都会被丢弃，分片越多，危险越高
因此udp数据包在应用层都需要由用户根据mss分割成合适的大小

一个报文最大大小64K包含ip头部 udp头部数据大小不能超过64K - 20 - 8

udp数据大小 mtu < size < 64K - 20 - 8 就会在网络层进行数据分片，到了对端就会进行分片重组

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
理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的大长度(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, 选择较小的作为终MSS
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2);
MSS–最大报文段大小—实际的最大数据大小：MTU-IP头部-TCP头部1500 - 20 - 20 = 1460

ARP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协议格式

注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次,对于链路层为以太网的情况是多余的,但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。
硬件类型指链路层网络类型,1为以太网;
协议类型指要转换的地址类型,0x0800为IP地址;
硬件地址长度对于以太网地址为6字节
协议地址长度对于和IP地址为4字节;
op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答

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

为什么要有缓存表? 为什么表项要有过期时间而不是一直有效?

在以太局域网内数据包传输依靠的是MAC地址，IP地址与MAC对应的关系依靠ARP表，每台安装有TCP/IP协议的主机(包括网关)都有一个ARP缓存表。该表中保存这网络中各个电脑的IP地址和MAC地址的对照关系。
ip地址动态分配，上一次保存的关系就失效了，所以保存时间不会很长

局域网的ARP攻击

你给我一个请求，我不是你的请求对象，但是我还是给了你的响应信息，然后你就把数据发给我了。

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注意事项

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