计算机网络:IP协议详细讲解

目录

前言

一、IP网段划分

二、IP报头

三、解决IP地址不足-->NAT技术


前言

        在之前,我们学习了传输层中的TCP和UDP,重点是TCP协议,他帮我们解决具体到主机的哪个应用(端口)、传输的可靠(序列号、校验和、流量控制、拥塞控制)、效率(滑动窗口、捎带应答、快重传)等问题。正式因为解决了这些问题,才使得应用层可以对网络中的数据更好的处理。

        但是,我们并不清楚传输层报文是如何在网络中进行流动的,是如何能从一台主机,跨越那么多的网络到达另外一台主机的,而IP协议才真正解决了从哪里来,到哪里去的问题。网络层的主要任务是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径

小总结:TCP提供可靠性的策略,IP具备从A到B的能力。他们两互相协作,让报文能可靠的从A到B。

一、IP网段划分

IP是一段地址,我们常说的192.168.1.1,这样的就是一个IP地址。

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;

如下是我电脑的IP地址:192.168.121.1。

其中

  • 网络号:192.168.121.0(192.168.121.1按位与255.255.255.0)
  • 主机号:1(除去子网掩码的部分,剩下来的)

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。

通过合理设置主机号和网络号,就可以保证在相互连接的网络中,每台主机的IP地址都不相同。

这样划分的好处就是一次可以筛选一大片,比如当前有一些数据需要发送到IP地址为192.168.122.1 的网络中,首先就看网络号是否相同,192.168.122.0与192.168.121.0网络号不相同,于是可以直接略过当前网络下的所有网络,直接往外部发送(路由器不仅仅连接着当前网络的所有主机,肯定还链接着外部网络,不然你家的网络从何而来)。

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。

二、IP报头

我们先来看一下IP报头,他里面的信息比较多

  • 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。
  • 16位总长度(total length):IP数据报整体占多少个字节。
  • 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。
  • 8位协议:表示上层协议的类型。(传输层用的是TCP还是UDP还是其他)
  • 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,暂不考虑

其中,4位头部长度与16位总长度,能保证报头的分离。

8位协议能保证该报文会交送到传输层的哪个协议去处理。

8为生存时间,是为了让报文在网络中消散,因为报文可能会迷路,无法到达目的IP地址,如果存在大量报文在网络中一直不消散,就会造成网络阻塞,因此给报文设置生存时间,让无法到达目的IP消散。

        还有16位标识、3位标志、13位片偏移,这似乎不好理解具体用处呀。

        因为这涉及到数据链路层的工作,IP协议是一个指挥家,能够指挥报文从A到B,但具体干活的人是数据链路层的协议。如果从一台主机,发送了一条很长的数据,如果不进行分片,这条数据会一直占用网线、光纤这种设备,网络中的其他主机想要通信,这就会造成数据碰撞,导致数据被污染,无法进行传输,因此数据链路层就规定,我无法接收一串很长的报文,则需要IP层在交付给下层时会对其进行分片,也就是最大传输单元(MTU),一般为1500(字节)。

  • 16 位标识符:用于标识一组属于同一数据包的分片。
  • 3 位标志:用来标识数据包是否可以分片,是否是最后一个分片等。
  • 13 位片偏移:用来指示某个分片在原始数据包中的位置。

也就是说16位标识、3位标志、13位片偏移是用来将大的报文拆分为较小的报文的

三、解决IP地址不足-->NAT技术

我们知道, IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数。那么一共只有 2的32次方个IP地址,大概是43亿左右。而TCP/IP协议规定,每个主机都需要有一个IP地址。

随着互联网行业的兴起,很多设备都需要入网,如:电脑、手机、智能家居等等。那这个IPv4的地址肯定不够划分了,为何我们现在仍在使用IPv4呢?也没有感觉到地址不足的问题。

我们主要是利用了NAT技术来解决的。

要知道,我们的电脑绝大部分使用的是私网IP,他是可以重复的,私有 IP 地址只在局域网内部使用,不同局域网中的设备可以使用相同的私有 IP 地址,因为它们是相互隔离的,不会直接影响到其他网络。

那既然都是使用的私网IP,我们如何能够链接到外网呢?

我们的路由器有WAN口与LAN口。

 LAN口(Local Area Network):表示连接本地网络的端口,主要用于家庭网络中的交换机,集线器或PC相连。
WAN口(Wide Area Network):表示连接广域网的端口,一般指互联网。

LAN口就是链接当前局域网下的机器,比如你家里的电脑网线就得插入到LAN口,这个IP地址会由路由器帮我们进行分配。如果当前主机(192.168.1.201)想要访问122.77.241.3,路由器会先帮我们查看,你要访问的网络是否在当前网络,发现网络号匹配不上,于是就将数据传输给WAN口,WAN口连接的是其他更大的网络(比如运营商的网络),再逐渐匹配,一直发送到公网上,到达对应的IP地址。

这样看,我们确实能够出去,访问到外部网络,外部网络如何能够回来呢?

他知道我们的IP地址为192.168.1.201,但是这个局域网的地址可以重复啊,他怎么知道是那个局域网的这个IP。

这是因为当有数据在路由器上进行转发时,每一个路由器都会生成一份NAT双向映射表,内部哪个IP:端口去了外部哪个IP:端口,并且再此过程还会一直修改源IP地址为路由器的WAN口IP

这样,公网的服务器收到了来自10.1.1.1路由器发来的数据,他处理完成后,也就可以向10.1.1.1发送响应,10.1.1.1路由器收到响应,查询NAT转化表,发现之前是122.77.241.3发来的数据,于是就往122.77.241.3发送该响应,就这样,直到发送到最开始的主机192.168.1.201上。

其实NAT转化表里面还有端口信息,比如一台主机打开了两个QQ,根据端口的不同,就能准确区分是哪一个QQ发送的数据。

这样就可以通过重复的私网IP,能访问到公网,公网的数据也能重回私网。

我们来分析一下NAT技术的好处

  1. 解决了IP地址不足的问题。
  2. 提高网络安全性,因为只有你先访问公网,先在路由器上建立了NAT转化表,公网才可以与你进行通信,这样一来,只要你不提前访问的情况下,就算黑客知道了你的IP地址,想要攻击你也不是一件容易的事。

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