网络原理-IP/数据链路层协议

一. IP

IP协议有两个版本,IPv4和IPv6.我们通常所用的IP协议,若没有特殊说明,默认都是IPv4.

IPv4数量=2^32,大约43亿左右,而TCP/IP协议规定,每个主机都需要有一个IP地址.对于全世界的计算机来说,这个数量是不够的,所以后来推出了IPv6(长度128位,是IPv4的4倍).但因为目前IPv4还广泛的使用,且可以使用其他技术(NAT机制)来解决IP地址不足的问题,所以IPv6也就没有普及.

1.1 NAT机制

NAT机制把所有的IP地址分成两大类.

内网IP: 10.* , 172.16*-172.31* , 192.168*(可以重复出现,尤其是在不同的局域网)

外网IP: 剩下的IP(必须是惟一的)

NAT机制可以用买快递来解释:在淘宝上买衣服,收货地址:郑州市,金水区,龙子湖~.但是龙子湖的人数以万计,龙子湖这个地址是唯一的,但是代表的人不一定唯一.因此内网设备如果要访问外网,会给他分配一个外网IP,但是这个外网IP不是这个设备独占的,而是这个内网中所有的设备都共用这一个外网IP.

若此时有多个主机通过路由器发送数据报,路由器返回数据报时是如何区分不同的主机呢?

在主机发送数据报的时候,数据报中含有端口号,路由器在替换源IP和端口号时,会记住所替换的端口号和源IP,在返回数据报时,就能准确区分哪个数据报属于哪个主机

1.2 IP地址的组成

IP地址分为两个部分,网络号和主机号

• 网络号: 标识一个局域网,保证相互连接的两个网段具有不同的标识,

• 主机号: 标识局域网内部的主机,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,

从上图可以看出,一个路由器中,有两个IP地址,分别是在不同的局域网中,一个路由器的作用就是把两个局域网连接起来

1.3 子网掩码

1.4 特殊的IP地址

主机号为0的ip. 192.168.0.0, 就是网络号,局域网里不应该存在某个主机,主机号为0.

主机号为全1, 192.168.0.255, 广播地址,往这个地址上发送udp数据报,此时这个数据报就会被转发给整个局域网中的所有主机.(TCP不支持广播)

手机投屏时就是利用了广播地址,要想把手机上的视频投放到电视上来看,投屏软件要求你的手机和电视,在同一个局域网中,此时,你的手机就有一个自动查找电视的过程,手机往局域网的广播地址上发送个数据报,看哪个ip有回应,电视上也有对应的投屏软件,收到了数据报就回应了,因此你的手机就知道电视的ip了. 

主机号为1,192.168.0.1,一般作为"网关ip" ,"网关"可以理解为局域网的出入口.

二. 以太网数据帧

认识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,因为不同的数据链路层协议,MTU不一样,只有以太网才是1500.

• 以太网中帧中的数据长度规定最小46字节,最大是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成为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU;

• 如果一个数据报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;

MTU 对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制,对于较大的数据包要进行分包.

• 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为标识都是相同的

• 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);

• 到达对端是再将这些小包,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丢失,接收端就会重组失败,但是IP层不会负责重新传输数据

虽然IP能拆包,仍然不能改变UDP最大长度是64k这样的现实,由于拆出的这些IP数据报中只有一份UDP首部,但是对UDP的限制还是存在的.