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网络层描述

news 2025/7/29 9:57:34

 ipconfig 

 

分片 

假设原始数据包总长 4000字节，MTU(Maximum Transmission Unit)=1500字节（以太网默认），分片如下：

分片分片大小片偏移MF标志计算逻辑
1148001从第0字节开始，1480字节，还有后续分片。
214801851偏移=1480/8=185，仍有后续分片。
310403700偏移=(1480+1480)/8=370，最后一片。

注意：

  • 每个分片的IP头部长度（通常20字节）不包含在分片数据长度内。

  • 片偏移值必须为整数（因为单位是8字节），因此分片长度需是8的倍数（IP层会自动填充）。

最大的长度是2^16,片偏移所能表示的最大数是2^13,所以一片应该是8个字节 

子网掩码

 

 解决IP地址浪费问题

  • 早期问题：
    IPv4地址只有32位，总量有限（约43亿个）。若按传统分类（A/B/C类）分配，会导致大量地址浪费。

    • 例如：一个公司需要500个IP，但B类地址（/16）提供6.5万个，远超需求。

  • 子网划分的优化：
    通过子网掩码灵活划分网络，避免浪费。

    • 将一个大网络（如192.168.0.0/16）拆分为多个小网络（如192.168.1.0/24）。

Q1：子网掩码必须连续吗？

  • 是的，标准的子网掩码是连续的1和0（如255.255.255.0）。

  • 非连续掩码（如255.0.255.0）已淘汰（早期用于复杂划分，现由CIDR取代）。

Q2：如何计算子网掩码？

  • 方法1：根据需求的主机数计算。

    • 例如：需要60个主机 → 主机位至少6位（2^6-2=62） → 掩码=/26（255.255.255.192）用二进制表示为11111111.11111111.11111111.11000000。

  • 方法2：使用CIDR表示法（如192.168.1.0/24）。

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）是用于灵活划分IP地址的表示方法，取代传统的A/B/C类地址划分，核心特点：

  • 格式：IP地址/前缀长度（如 192.168.1.0/24）。

  • 作用：明确指定网络号和主机号的边界，实现更高效的地址分配。

CIDR子网掩码可用主机数适用场景
/32255.255.255.2551单设备（如VPN端点）
/30255.255.255.2522点对点链路（如路由器互联）
/24255.255.255.0254小型局域网（家庭/办公室）
/16255.255.0.065,534大型企业内网
/8255.0.0.016,777,214传统A类网络

子网掩码的作用：
通过按位与（AND）运算，从IP地址中分离出网络号和主机号。

示例：

  • IP地址：192.168.1.100

  • 子网掩码：255.255.255.0（即 /24）

  • 计算：

    192.168.1.100  → 11000000.10101000.00000001.01100100
255.255.255.0  → 11111111.11111111.11111111.00000000
-------------------------- AND
192.168.1.0    → 网络号
0.0.0.100      → 主机号

  • 结论：

    • 网络号：192.168.1.0

    • 主机号：100（范围：1~254，0和255保留）

NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种将私有IP地址转换为公有IP地址的技术，主要用于解决IPv4地址短缺问题，并隐藏内网拓扑结构，提升安全性。 

NAT设备（如路由器）维护一张转换表，记录内网IP和端口与外网IP和端口的映射关系。
示例流程：

  1. 内网主机（192.168.1.100:54321）访问公网服务器（8.8.8.8:80）。

  2. NAT路由器将源地址替换为公网IP（如203.0.113.1:60000）。

  3. 服务器响应到203.0.113.1:60000，NAT根据转换表将数据转发给内网主机。

prerouting 路由前  postrouting 路由后 

链类型处理阶段典型动作应用场景
PREROUTING路由前（入站）DNAT（端口转发）将公网请求转发到内网服务器。
POSTROUTING路由后（出站）MASQUERADE/SNAT内网设备共享公网IP上网。

 路由表

IPv4路由表摘要 (route print)

网络目标网络掩码网关接口跃点数
0.0.0.00.0.0.0192.168.106.254192.168.106.10335
127.0.0.0255.0.0.0在链路上127.0.0.1331
127.0.0.1255.255.255.255在链路上127.0.0.1331
127.255.255.255255.255.255.255在链路上127.0.0.1331
192.168.17.0255.255.255.0在链路上192.168.17.1291
192.168.17.1255.255.255.255在链路上192.168.17.1291
192.168.17.255255.255.255.255在链路上192.168.17.1291
192.168.44.0255.255.255.0在链路上192.168.44.1291
192.168.44.1255.255.255.255在链路上192.168.44.1291
192.168.44.255255.255.255.255在链路上192.168.44.1291
192.168.106.0255.255.255.0在链路上192.168.106.103291
192.168.106.103255.255.255.255在链路上192.168.106.103291
224.0.0.0240.0.0.0在链路上127.0.0.1331
224.0.0.0240.0.0.0在链路上192.168.17.1291
255.255.255.255255.255.255.255在链路上127.0.0.1331

 本地环回

127.0.0.0 是 IPv4 地址空间中保留的环回网络（Loopback Network）的起始地址，其作用是为设备提供内部自我通信的通道。以下是关键点：

  • 范围：127.0.0.0/8（即 127.0.0.0 ~ 127.255.255.255）。

  • 最常用地址：127.0.0.1（本地环回地址，别名 localhost）。 

Q1：127.0.0.0 和 127.0.0.1 的区别？

地址用途
127.0.0.0网络标识（通常不用于通信），代表整个环回网络。
127.0.0.1实际用于本机通信的环回地址（等价于 localhost）。

Q2：其他 127.x.x.x 地址能用吗？

  • 可以，但无实际意义（如 127.99.88.77 也会环回到本机），通常建议只用 127.0.0.1。

Q3：IPv6 的环回地址是什么？

  • IPv6 的环回地址为 ::1（相当于 IPv4 的 127.0.0.1）。

组播

224.0.0.0 是 IPv4 地址空间中 组播（Multicast） 的起始地址，属于 D类地址（范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255）。它的核心用途是支持一对多的网络通信，即一个发送者向多个接收者同时传输数据。

核心用途

(1) 组播通信

  • 特点：数据包发送到组播地址后，所有加入该组的设备都会接收（而非广播的全体接收）。

  • 示例：

    • 视频会议（如Zoom、Teams使用组播传输音视频流）。

    • 股票行情推送（同一组播组内的终端同步接收数据）。

(2) 协议专用地址

  • 本地网络控制协议：224.0.0.0/24 保留给本地网络协议（数据包不跨路由器转发）：

    • 224.0.0.1：所有主机的组播地址（如ARP替代协议）。

    • 224.0.0.2：所有路由器的组播地址。

    • 224.0.0.5：OSPF路由协议。

    • 224.0.0.251：mDNS（Apple Bonjour/零配置网络）。

(3) 全局组播

  • 范围：224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 可跨路由器转发，用于互联网级应用（如IPTV）。

 默认网关

默认网关是本地网络中负责将数据包转发到其他网络（如互联网）的路由器或三层交换机的IP地址。它是设备访问外部网络的“出口”，当目标IP不在当前子网时，数据包会被发送到默认网关。

  1. 跨网络通信：
    当设备需要访问其他子网或互联网时，数据包会先发送到默认网关，由网关决定下一跳路径。
    示例：你的电脑（192.168.1.100）访问百度（220.181.38.148），数据包会先发给网关（如 192.168.1.1）。

  2. 路由中转：
    网关根据路由表将数据包转发到目标网络（如ISP的路由器或另一子网的路由器）。

  3. NAT转换（家庭/企业网络）：
    网关通常兼任NAT设备，将私有IP（如 192.168.1.x）转换为公有IP（如 203.0.113.1）。

Q1：默认网关可以设置多个吗？

  • 可以，但通常只有一个生效（优先级由路由表决定）。多网关用于负载均衡或冗余备份（需协议如VRRP支持）。

Q2：网关IP必须属于本地子网吗？

  • 必须！否则设备无法通过ARP找到网关的MAC地址。
    错误示例：

    • 设备IP：192.168.1.100/24（子网 192.168.1.0/24）

    • 网关IP：192.168.2.1（不属于该子网）→ 无法通信。

Q3：没有默认网关会怎样？

  • 设备只能访问同一子网内的其他设备，无法上网或访问其他子网。

DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种自动分配IP地址的网络协议，允许设备（如电脑、手机）在接入网络时，自动获取以下配置信息：

  • IP地址

  • 子网掩码

  • 默认网关

  • DNS服务器

  • 其他选项（如域名、时间服务器等

以一台电脑连接Wi-Fi为例：

  1. DHCP Discover（发现）

    • 设备广播发送DHCP Discover报文，寻找可用的DHCP服务器。

  2. DHCP Offer（提供）

    • 服务器回应DHCP Offer，提供一个可用的IP地址（暂未分配）。

  3. DHCP Request（请求）

    • 设备选择其中一个Offer，广播DHCP Request确认请求。

  4. DHCP Ack（确认）

    • 服务器最终确认分配，发送DHCP Ack，包含完整的网络配置。

注：整个过程通过UDP广播（端口67/68）完成，通常耗时仅几毫秒。

类型动态IP静态IP
分配方式自动分配（通常通过DHCP协议）手动固定配置
变化频率定期更换（租约到期或重新连接时）永久不变
管理方由路由器或ISP的DHCP服务器管理由用户或网络管理员手动设置

 ARP

1. ARP的作用

  • 解决什么问题：
    已知目标设备的IP地址，需要获取其MAC地址（因为局域网内通信依赖MAC地址，而非IP）。

  • 典型场景：
    同一子网内的设备通信（如 192.168.1.100 访问 192.168.1.200）。

报文类型传输的MAC地址说明
ARP请求包含发送方的MAC地址广播询问：“谁有IP X？请告诉MAC地址，我的MAC是 AA:BB:CC:DD:EE:FF。”
ARP响应包含目标设备的MAC地址单播回应：“IP X 的MAC地址是 11:22:33:44:55:66。”

在网络上传输的为什么是ip地址而不是网络号?

在网络传输中，传输的是IP地址，但网络号是路由和转发的关键依据

1. 数据包中传输的内容

  • 传输的是完整的IP地址（如 192.168.1.100），而非单独的网络号。

  • IP包头格式：

    • 源IP地址（Source IP）：发送方的完整IP（如 192.168.1.100）。

    • 目标IP地址（Destination IP）：接收方的完整IP（如 8.8.8.8）。

    • 不直接包含网络号，但子网掩码（或CIDR前缀）由路由设备本地存储。

2. 网络号的作用

网络号（如 192.168.1.0）是路由器和交换机在转发数据包时的关键判断依据：

  1. 路由决策：

    • 设备通过目标IP 按位与（AND）子网掩码，提取网络号。

    • 查询路由表，匹配网络号决定下一跳（如默认网关或直连网络）。

    • 示例：

      • 目标IP：192.168.1.200，子网掩码：255.255.255.0 → 网络号 192.168.1.0。

      • 路由表匹配 192.168.1.0/24，直接发送给该子网内的设备。

  2. 子网隔离：

    • 不同网络号的设备需通过路由器通信（如 192.168.1.0/24 和 10.0.1.0/24）。

    • 同网络号的设备可直接二层转发（通过MAC地址）。

3. 为什么不全传输网络号？

  • 效率问题：
    IP地址已包含足够信息，网络号可通过子网掩码实时计算，无需额外传输。

  • 灵活性：
    子网掩码可动态配置（如VLSM），同一IP在不同网络中可能属于不同子网。

 局域网访问公网服务器的全过程

以下是局域网内设备（如 192.168.1.100）访问公网服务器（如 203.0.113.5:80）的详细步骤，涵盖 ARP、NAT、路由、TCP握手 等关键环节：

1. 局域网内通信准备

(1) 检查目标IP是否在同一子网

  • 设备计算目标IP的网络号：
    203.0.113.5 & 255.255.255.0 = 203.0.113.0

    • 对比本地网络号 192.168.1.0 → 不在同一子网，需通过默认网关转发。

(2) 获取网关MAC地址（ARP）

  • 设备发送 ARP请求（广播）：

    Who has 192.168.1.1? Tell 192.168.1.100

  • 网关响应 ARP应答（单播）：

    192.168.1.1 is at AA:BB:CC:DD:EE:FF

  • 结果：设备将网关MAC（AA:BB:CC:DD:EE:FF）存入ARP缓存。

2. 构造HTTP请求并发送

(1) 生成TCP数据包

  • 应用层：浏览器生成HTTP请求 GET / HTTP/1.1。

  • 传输层：封装为TCP段（源端口 54321，目标端口 80，SYN标志位）。

  • 网络层：

    • 源IP：192.168.1.100

    • 目标IP：203.0.113.5

(2) 发送到网关

  • 链路层：

    • 源MAC：设备MAC（00:11:22:33:44:55）

    • 目标MAC：网关MAC（AA:BB:CC:DD:EE:FF）

  • 物理层：通过交换机/网卡发送到网关（路由器）。

3. 路由器处理（NAT转换）

(1) 源地址转换（SNAT）

  • 路由器检查NAT表，若不存在映射则新建：

    内部：192.168.1.100:54321 → 外部：203.0.113.1:60000

  • 修改数据包：

    • 源IP：192.168.1.100 → 203.0.113.1（路由器公网IP）

    • 源端口：54321 → 60000

(2) 路由决策

  • 查询路由表，确定下一跳（如ISP网关 202.102.1.1）。

  • 通过公网接口（如 eth1）发送数据包。

4. 公网传输

  • 数据包经过多个路由器跳转（通过BGP/OSPF协议寻路），最终到达服务器 203.0.113.5。

  • 服务器收到TCP SYN包，回复 SYN-ACK（目标IP：203.0.113.1:60000）。

5. 路由器反向转换（DNAT）

  • 路由器根据NAT表将响应包的目标IP/端口还原：

    外部：203.0.113.1:60000 → 内部：192.168.1.100:54321

  • 转发到内网设备 192.168.1.100。

6. 完成TCP连接

  • 设备收到 SYN-ACK，回复 ACK，完成三次握手。

  • HTTP请求正式发送，服务器返回网页数据（流程与上述类似）。

http://www.dtcms.com/a/303113.html

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