IP 协议的相关特性和数据链路层相关知识总结

野性酷女 2023-10-14 18:25 81阅读 0赞

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> **目录**
> 
>  IP 协议的相关特性
> 
> 一、IP协议的特性
> 
> 二、 IP协议数据报格式
> 
> 三、 IP协议的主要功能
> 
>  1. 地址管理
> 
> 动态分配 IP地址
> 
> NAT机制
> 
> NAT背景下的通信
> 
> IPV6
> 
> 2. 路由控制
> 
> 3.IP报文的分片与重组
> 
> 数据链路层相关知识
> 
> 1、以太网协议（Ethernet）
> 
> 2.MTU
> 
> MTU对IP协议的影响
> 
> MTU对UDP协议的影响
> 
> MTU对于TCP协议的影响
> 
> 3. ARP协议
> 
> ARP协议的作用
> 
> ARP协议的工作流程编辑
> 
> 总结
> 
> 数据链路层
> 
> 网络层
> 
> 传输层 
> 
> 应用层 
> 
> --------------------

## IP 协议的相关特性 ##

### 一、IP协议的特性 ###

> IP（Internet Protocol）协议是互联网中使用的网络协议之一，它的特性包括：
> 
> 1.  无连接性：IP协议是一种无连接协议，每个数据包都是独立发送和处理的。因此，每个数据包都需要包含完整的源和目的地址信息，以便被正确路由到目的地。
> 2.  不可靠性：IP协议不提供任何可靠性保证，数据包在传输过程中可能会在网络拥塞、链路故障等情况下丢失或重复，需要应用层自行处理数据的可靠性。
> 3.  分组交换：IP协议使用分组交换技术，将数据分成若干个固定大小的数据包进行传输，每个数据包都有其独立的路由路径和传输时间。
> 4.  网络层协议：IP协议在OSI模型中属于网络层，主要负责数据包的寻址和路由选择。
> 5.  IPv4和IPv6：IP协议有两个版本，IPv4和IPv6，其中IPv4是现有网络中广泛使用的版本，而IPv6则是一种新的IP协议版本，主要为了解决IPv4枯竭的地址问题。
> 6.  头部格式：IP协议的数据包头部包括源地址、目的地址、协议类型、TTL等信息，具体数据包头部格式不同于IPv4和IPv6版本的不同而有所区别。

##  ##

### 二、 IP协议数据报格式 ###

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>  *  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表示最大的数字是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。
>  *  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（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）。
>  *  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。
>  *  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。

### 三、 IP协议的主要功能 ###

> **1** **寻址和路由**
> 
> **2** **传递服务**
> 
> **3** **数据报分片和重组**

#### 1. 地址管理 ####

> IP地址本质是一个32位的整数 , 通常会把这32位的整数,转换成点分十进制的表示方式
> 
> 每个部分取值范围 0-255 例如 127.0.0.1
> 
> 那么32位整数能表示多少不同的地址呢 经过计算是42亿9千万
> 
> 然而在如今肯定是不够用的 便有了一下解决方案

##### 动态分配 IP地址 #####

也就是设备上网才分配IP地址,不上网就不分配

并没有增加IP数量,只能一定程度缓解,不能彻底解决问题.

##### NAT机制 #####

就是把所有的IP地址分为两大类

> 内网IP: 10.\* 172.16.\*---172.31.\* 192.168.\*
> 
> 外网IP: 剩下的IP
> 
> **注意:外网IP必须是唯一的，内网IP则可以重复出现**

##### NAT背景下的通信 #####

> 外网设备 ->外网设备,不需要任何 NAT,直接就能通信  
> 内网设备 -> 其他内网设备, 不允许!!  
> 外网设备 ->内网设备,不允许!!  
> 内网设备 ->外网设备,对应的内网设备的路由器,触发NAT 机制进行 IP 替换,此时就会给这个网络数据报的源IP替换成路由器自己的 ip

##### IPV6 #####

> IPv6（Internet Protocol version 6）是IP协议的一种新版本，也是互联网中的下一代IP协议。IPv6的主要特点和优势包括以下几点：
> 
> 1.地址空间更大：IPv6地址长度为128位，比IPv4的32位要大四倍，因此IPv6可以提供更多的地址空间，以支持未来互联网中更多的设备和用户。
> 
> 2.更好的安全性：IPv6引入了IPSec协议，提供了强大的主机间加密和认证机制，能够有效防止网络攻击和欺骗。
> 
> 3. 自动化配置：IPv6协议自带地址自动配置机制（如SLAAC），可以大大简化管理员配置网络地址的工作，同时也可以避免地址冲突的问题。
> 
> 4. QoS和流量控制支持：IPv6支持基于流的服务质量（QoS）和流量控制，以提高网络传输效率和可靠性。
> 
> 5.更好的移动性支持：IPv6支持移动IP（MIPv6）协议，可以在网络中实现设备的无缝漫游，支持设备在不同网络环境中快速切换，从而提高网络可用性。
> 
> 6. 应用广泛：IPv6已经被广泛应用于各种网络设备和应用，如智能家居、物联网、移动通讯、云计算等领域。

#### 2. 路由控制 ####

路由控制（Routing）是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。一旦这个路由控制的运行出现异常，分组数据极有可能“迷失”，无法到达目标地址。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。

发送数据包时所使用的地址是网络层的地址，即IP地址。然而仅仅有IP地址还不足以实现将数据包发送到对端目标地址，在数据发送过程中还需要类似于“指明路由器或主机”的信息，以便真正发往目标地址。保存这种信息的就是路由控制表（Routing Table）。实现IP通信的主机和路由器都必须持有一张这样的表。它们也正是在这个表格的基础上才得以进行数据包发送的。

该路由控制表的形成方式有两种：一种是管理员手动设置，另一种是路由器与其他路由器相互交换信息时自动刷新。前者也叫静态路由控制，而后者叫做动态路由控制。为了让动态路由及时刷新路由表，在网络上互连的路由器之间必须设置好路由协议，保证正常读取路由控制信息。

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#### 3.IP报文的分片与重组 ####

下图展示了网络传输过程中进行分片处理的一个例子。由于以太网的默认MTU是1500字节，因此4342字节的IP数据报无法在一个帧当中发送完成。这时，路由器将此IP数据报划分成了3个分片进行发送。而这种分片处理只要路由器认为有必要，会周而复始地进行（分片以8个字节的倍数为单位进行。）经过分片之后的IP数据报在被重组的时候，只能由目标主机进行。路由器虽然做分片但不会进行重组。

这样的处理是由诸多方面的因素造成的。例如，现实当中无法保证IP数据报是否经由同一个路径传送。因此，途中即使等待片刻，数据包也有可能无法到达目的地。此外，拆分之后的每个分片也有可能会在途中丢失（在目标主机上进行分片的重组时，可能有一部分包会延迟到达。因此，一般会从第一个数据报的分片到达的那一刻起等待约30秒再进行处理。） 。即使在途中某一处被重新组装，但如果下一站再经过其他路由时还会面临被分片的可能。这会给路由器带来多余的负担，也会降低网络传送效率。出于这些原因，在终结点（目标主机）端重组分片了的IP数据报成为现行的规范  
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## 数据链路层相关知识 ##

### 1、以太网协议（Ethernet） ###

> 以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。
> 
> CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议），早期主要是以太网络中数据传输方式，广泛应用于以太网中，主要应用于有限局域网。  
> 无线局域网由于没有实际的物理信道，无法进行正常的冲突检测，于是无线局域网主要采用CSMA/CA的带冲突避免的载波监听多路访问控制技术。

**以太网帧格式**

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>  *  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

### 2.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；

#### 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

#### MTU对于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的单个数据报的最大消息长度，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。
>  *  最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（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，选择较小的作为最终MSS。
>  *  MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）  
>

### 3. ARP协议 ###

虽然我们在这里介绍ARP协议，但是需要强调，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协议的作用** ####

>  *  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协议的工作流程   ![5382464b18e2442eaa358cb8bf333720.png][] ####

>  *  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

## 总结 ##

### 数据链路层 ###

>  *  数据链路层的作用：两个设备（同一种数据链路节点）之间进行传递数据
>  *  以太网是一种技术标准；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；
>  *  以太网帧格式
>  *  理解mac地址
>  *  理解arp协议
>  *  理解MTU  
>

### 网络层 ###

>  *  网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
>  *  理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
>  *  理解IP协议格式。
>  *  了解网段划分方法
>  *  理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案。理解私有IP和公网IP
>  *  理解网络层的IP地址路由过程。理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地。
>  *  理解IP数据包分包的原因。
>  *  了解NAT设备的工作原理。  
>

### 传输层 ###

>  *  传输层的作用：负责数据能够从发送端传输接收端。
>  *  理解端口号的概念。
>  *  认识UDP协议，了解UDP协议的特点。
>  *  认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性。理解TCP协议的状态转化。
>  *  掌握TCP的连接管理，确认应答，超时重传，滑动窗口，流量控制，拥塞控制，延迟应答，捎带应答特性。
>  *  理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
>  *  能够基于UDP实现可靠传输。
>  *  理解MTU对UDP/TCP的影响。

### 应用层 ###

>  *  应用层的作用：满足我们日常需求的网络程序，都是在应用层
>  *  能够根据自己的需求，设计应用层协议。
>  *  了解HTTP协议。
>  *  理解DNS的原理和工作流程

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