【EE初阶 - 网络原理】网络层 + 数据链路层 + DNS

网络层

(一)IP协议

基本概念

• 主机:配有IP地址,但是不进行路由控制的设备;
• 路由器:即配有IP地址,又能进行路由控制;
• 节点:主机和路由器的统称;

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(单位:4字节),**也就是 length * 4 的字节数.4bit表示最大的数字是0xF = 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.=>决定IP协议的工作方式
• 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(framagement 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).

如果基于UDP实现传输超64KB的数据,该如何设计?
----应用层协议中,指定标识符,制定片偏移,指定标志位(往TCP上靠)

• 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

单位:次数

• 8位协议:表示上层协议的类型 —>标识传输层使用的哪种协议
• 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,最多40字节):略

关键:32位源IP 和 32位目的IP
IP通常使用点分十进制表示
192.168.139.1

IP不够用了咋办

1.动态分配IP
上网再分配,不上网就不分配
有所缓解,但是不能再根本上解决问题
2.NAT机制 网络地址转换 [当前网络世界的最主要的方式]

外网IP是唯一的
内网IP 在不同的局域网中,允许重复

NAT背景下,网络通信是如何进行的?(常识)

• 1.同一个局域网下,设备A访问设备B

由于IP本身不允许重复,自然不受任何影响,NAT不起作用

• 2.公网设备A访问公网设备B

由于公网IP本身也不重复,也不受影响,NAT起不到作用

• 3.不同局域网,设备A访问设备B =>是不允许的!! =>也是对设备的保护

NAT机制进制这样的访问方式~~

• 4.局域网设备A访问公网设备B =>网络地址映射
• 5.公网设备A,尝试访问局域网设备B => 不允许的!! =>对设备也是中保护

触发网络地址映射是怎么个事~~

多台主机触发地址映射,返回响应,能找到对的主机返回吗?–>当然!!!

路由器触发NAT地址替换的时候,自身维护一个"哈希表"结构,记录替换的映射关系~~

3.IPv6[终极方案]
IPV4是使用4个字节作为IP地址
IPv6是使用16个字节作为IP地址 =>128个bit 2^128 天文数字,用不完的

(二)地址管理

网段划分(IP协议中的第一个要点)

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;

• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.
• 如果在子网中新增一台主机,则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致,但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复.

特殊的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

192.168.100.0 （局域网中,不能直接把主机号设为 0）
192.168.100.255 广播地址
往广播地址上发送数据包
就会被转发给局域网中的所有设备~~

和 “群聊” 形式上类似,
技术实现上没有任何关系~
群聊中的用户都是不同局域网中的设备.
（广播,只是局限于当前局域网~~）

比如 手机投屏

• 自动搜索出哪些设备可以投屏~~
  (这个搜索的过程就是通过广播来实现的)
• 手机和电视,必须在同一个 wifi 下 (同一个局域网下)
  点击展示投屏设备列表,
  手机往广播地址发送一个请求, 询问, 哪个设备能投屏
• 就必须通过 UDP 来进行传输.
  TCP 是不能广播~~

小结:

1. IPv4 地址,占几个字节,不够用了咋办 (动态分配, NAT, IPv6)
2. IP 地址构成: 网络号 + 主机号 子网掩码
3. 特殊的 IP: 主机号为 0, 主机号全1, 127 开头

私网IP地址 和 公网IP地址

• 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,最外层的运营商路由器,WAN口IP就是一个公网IP了.
• 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,最终数据包中的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(IP协议中的第二个要点)

通过IP协议,进行数据转发的过程
这个转发过程,极其复杂,我们这里只讨论,简化的模型
我们使用问路的方式 (启发式/探索式)

比如我在陕西科技大学.我想去西安邮电大学~ 我是路痴~(假设没有手机导航)可以问路
于是, 从陕科大出发.

1. 遇到 A, 但是他知道, 邮电在西安南郊, 此时咱们是在北郊
   建议我坐 336 公交, 往南走~~
2. 坐上 336 了, 再问 B, B 让我在运动公园下车, 换乘地铁2号线
3. 坐上 2 号线了 再问 C, 坐到坐2号线的航天城这一站下车, 你再问~~
4. 到了航天城, 已经离邮电不远了~~ 从地铁出去之后, 先往南走到路口, 往西走一条街, 再往北拐,就看到了西安邮电大学

每次问的时候,都会更加接近
路由选择也是一样,网络环境非常复杂,任何一个路由器,无法存储所有的网络信息,每个路由器,是可以知道附近的网络情况(至少知道谁与他相连)

当数据包到达某个路由器的时候
就会匹配这个路由器的"路由表"(路由表就记录了这个路由器周围的设备的IP是啥,以及也会记录每个设备要通过哪个口转发过去)
1.如果目的IP刚好匹配到了路由表中的记录,直接按照当前的对应的口转发过去就行了
2.如果没有匹配到,路由表会有一个特殊的表项"下一跳",指向的设备,上一级路由器所在的位置

在复杂的网络结构中,找出一条通往终点的路线;

路由的过程,是一跳一跳(Hop by Hop) “问路” 的过程.

所谓 “一跳” 就是数据链路层中的一个区间. 具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间.

• 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;
• 路由表中的最后一行,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。
  
  

数据链路层

• "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;

数据链路层 => 交换机开发
以太网 是 数据链路层 + 物理层协议
但凡你的电脑是通过 网线 这种方式上网的,走的协议,就是以太网
网线 =>以太网线

(一)以太网

以太网帧格式

后面讲到MTU,我们再详细用图讲解,现在这里眼熟就可以了~~

• 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。

这里补充一下概念
描述网络上的传输数据单位
包 packet => IP
段 segment => TCP
报 datagram =>UDP
帧 frame => 以太网/数据链路层

(二)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. 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).

cmd 种输入ipconfig /all

IP地址和mac地址有啥区别?为啥有了IP还要有mac呢?

理论上,网络通信有一组地址,就够用了
最初构建网络层协议的大佬们 和 构建数据链路层协议的大佬,不是一伙人
干脆都留下来
IP专门给网络层使用,mac专门给数据链路层使用
IP是在网络层使用,关注整个网络路径的转发传输过程
mac 是在数据链路层使用,关注与转发的细节 => 两个相邻设备之间的转发~

对比理解MAC地址和IP地址

比如,我从西安市出发去吉林省,白城市,大安市,安广镇

先进行路径的规划 (网络层)

1. 西安 - 北京 - 长春 - 白城 - 安广
2. 西安 - 天津 - 长春 - 白城 - 安广
3. 西安 - 北京 - 沈阳 - 白城 - 安广

• IP地址描述的是路途的总体的 起点 和 终点
• MAC地址描述的是路途上每一个区间的起点和终点

(三)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;

(四)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;

网络传输的过程中
网络这一层,转发是要根据IP的
数据链路层这一层,是要根据mac
写代码的时候,填写的肯定是IP地址
路由器也是根据IP地址 查路由表 ,根据路由表得到接下来从哪个网口转发
此时就需要根据下一个节点的IP,找到对应的mac
才能填写以太网数据帧

通过广播地址, 发送 ARP 数据报
(IP 协议中, 如果是 主机号 全1 是广播地址. mac 地址中, 整体全 1 FF:FF:FF:FF:FF:FF 也是广播地址)
询问你的 IP 和你的 mac 地址都是啥
每个设备收到 ARP 请求
就会返回一个 ARP 响应
路由器就会构建出一个类似于 hash 表结构
把 ip 和 mac 的关系都保存起来了~~

重要应用层协议DNS

可以认为是一个应用层协议,也可以认为是一套系统
域名解析系统
网络上的服务器,都是有IP地址的
域名是一串单词 =>计算机会自动把这串单词,翻译成IP地址~

hosts 文件,维护太复杂了.
hosts 文件的功能仍然存在,优先级比 DNS 更高.
主要的用途,就是在程序测试的~~

把 hosts 文件中的内容,提取出来,单独放到一个服务器上
这样的服务器就称为 DNS 服务器
用户的电脑访问某个网站的时候,就会先查询 DNS 服务器,把域名对应的 ip 拿到,再真正访问服务器

全世界上网的设备那么多,如果每次发起网络请求,都需要先访问DNS服务器的话,DNS服务器就要承担海量的并发量,挂了吗?

如何解决?
1.缓存
你的电脑不会在每次请求服务器的时候都触发 DNS请求
访问 sogou.com 进行一次 DNS 请求
访问 sogou.com进行一次DNS之后,就把IP记录下来了,下次再访问搜狗,就不需要重新访问 DNS
2.DNS 服务器可以不止有一个,而是有很多~~
存储原始数据的DNS服务器称为"DNS根服务器"
各种网络运营商,可以搭建"DNS镜像服务器"
此时全世界都有DNS服务器,国内三大运营商,都会在各个地区,搭建DNS服务器