一、 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層 

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層

計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層

不難看出，TCP/IP 與 OSI 在分層模塊上稍有區(qū)別。OSI 參考模型注重“通信協(xié)議必要的功能是什么”，而 TCP/IP 則更強調(diào)“在計算機上實現(xiàn)協(xié)議應(yīng)該開發(fā)哪種程序”。

二、 TCP/IP 基礎(chǔ)

1. TCP/IP 的具體含義

從字面意義上講，有人可能會認為 TCP/IP 是指 TCP 和 IP 兩種協(xié)議。實際生活當中有時也確實就是指這兩種協(xié)議。然而在很多情況下，它只是利用 IP 進行通信時所必須用到的協(xié)議群的統(tǒng)稱。具體來說，IP 或 ICMP、TCP 或 UDP、TELNET 或 FTP、以及 HTTP 等都屬于 TCP/IP 協(xié)議。他們與 TCP 或 IP 的關(guān)系緊密，是互聯(lián)網(wǎng)必不可少的組成部分。TCP/IP 一詞泛指這些協(xié)議，因此，有時也稱 TCP/IP 為網(wǎng)際協(xié)議群。

互聯(lián)網(wǎng)進行通信時，需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/IP 原本就是為使用互聯(lián)網(wǎng)而開發(fā)制定的協(xié)議族。因此，互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議就是 TCP/IP，TCP/IP 就是互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。

網(wǎng)際協(xié)議群

2. 數(shù)據(jù)包

包、幀、數(shù)據(jù)包、段、消息

以上五個術(shù)語都用來表述數(shù)據(jù)的單位，大致區(qū)分如下：

• 包可以說是全能性術(shù)語;
• 幀用于表示數(shù)據(jù)鏈路層中包的單位;
• 數(shù)據(jù)包是 IP 和 UDP 等網(wǎng)絡(luò)層以上的分層中包的單位;
• 段則表示 TCP 數(shù)據(jù)流中的信息;
• 消息是指應(yīng)用協(xié)議中數(shù)據(jù)的單位。

每個分層中，都會對所發(fā)送的數(shù)據(jù)附加一個首部，在這個首部中包含了該層必要的信息，如發(fā)送的目標地址以及協(xié)議相關(guān)信息。通常，為協(xié)議提供的信息為包首部，所要發(fā)送的內(nèi)容為數(shù)據(jù)。在下一層的角度看，從上一層收到的包全部都被認為是本層的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包首部

網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包由兩部分組成：一部分是協(xié)議所要用到的首部，另一部分是上一層傳過來的數(shù)據(jù)。首部的結(jié)構(gòu)由協(xié)議的具體規(guī)范詳細定義。在數(shù)據(jù)包的首部，明確標明了協(xié)議應(yīng)該如何讀取數(shù)據(jù)。反過來說，看到首部，也就能夠了解該協(xié)議必要的信息以及所要處理的數(shù)據(jù)。包首部就像協(xié)議的臉。

3. 數(shù)據(jù)處理流程

下圖以用戶 a 向用戶 b 發(fā)送郵件為例子：

數(shù)據(jù)處理流程

① 應(yīng)用程序處理

首先應(yīng)用程序會進行編碼處理，這些編碼相當于 OSI 的表示層功能;

編碼轉(zhuǎn)化后，郵件不一定馬上被發(fā)送出去，這種何時建立通信連接何時發(fā)送數(shù)據(jù)的管理功能，相當于 OSI 的會話層功能。

② TCP 模塊的處理

TCP 根據(jù)應(yīng)用的指示，負責建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)以及斷開連接。TCP 提供將應(yīng)用層發(fā)來的數(shù)據(jù)順利發(fā)送至對端的可靠傳輸。為了實現(xiàn)這一功能，需要在應(yīng)用層數(shù)據(jù)的前端附加一個 TCP 首部。

③ IP 模塊的處理

IP 將 TCP 傳過來的 TCP 首部和 TCP 數(shù)據(jù)合起來當做自己的數(shù)據(jù)，并在 TCP 首部的前端加上自己的 IP 首部。IP 包生成后，參考路由控制表決定接受此 IP 包的路由或主機。

④ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

從 IP 傳過來的 IP 包對于以太網(wǎng)來說就是數(shù)據(jù)。給這些數(shù)據(jù)附加上以太網(wǎng)首部并進行發(fā)送處理，生成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包將通過物理層傳輸給接收端。

⑤ 網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)驅(qū)動)的處理

主機收到以太網(wǎng)包后，首先從以太網(wǎng)包首部找到 MAC 地址判斷是否為發(fā)送給自己的包，若不是則丟棄數(shù)據(jù)。

如果是發(fā)送給自己的包，則從以太網(wǎng)包首部中的類型確定數(shù)據(jù)類型，再傳給相應(yīng)的模塊，如 IP、ARP 等。這里的例子則是 IP 。

⑥ IP 模塊的處理

IP 模塊接收到 數(shù)據(jù)后也做類似的處理。從包首部中判斷此 IP 地址是否與自己的 IP 地址匹配，如果匹配則根據(jù)首部的協(xié)議類型將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的模塊，如 TCP、UDP。這里的例子則是 TCP。

另外嗎，對于有路由器的情況，接收端地址往往不是自己的地址，此時，需要借助路由控制表，在調(diào)查應(yīng)該送往的主機或路由器之后再進行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

⑦ TCP 模塊的處理

在 TCP 模塊中，首先會計算一下校驗和，判斷數(shù)據(jù)是否被破壞。然后檢查是否在按照序號接收數(shù)據(jù)。***檢查端口號，確定具體的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)被完整地接收以后，會傳給由端口號識別的應(yīng)用程序。

⑧ 應(yīng)用程序的處理

接收端應(yīng)用程序會直接接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過解析數(shù)據(jù)，展示相應(yīng)的內(nèi)容。

三、傳輸層中的 TCP 和 UDP

• TCP/IP 中有兩個具有代表性的傳輸層協(xié)議，分別是 TCP 和 UDP。
• TCP 是面向連接的、可靠的流協(xié)議。流就是指不間斷的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當應(yīng)用程序采用 TCP 發(fā)送消息時，雖然可以保證發(fā)送的順序，但還是猶如沒有任何間隔的數(shù)據(jù)流發(fā)送給接收端。TCP 為提供可靠性傳輸，實行“順序控制”或“重發(fā)控制”機制。此外還具備“流控制(流量控制)”、“擁塞控制”、提高網(wǎng)絡(luò)利用率等眾多功能。
• UDP 是不具有可靠性的數(shù)據(jù)報協(xié)議。細微的處理它會交給上層的應(yīng)用去完成。在 UDP 的情況下，雖然可以確保發(fā)送消息的大小，卻不能保證消息一定會到達。因此，應(yīng)用有時會根據(jù)自己的需要進行重發(fā)處理。
• TCP 和 UDP 的優(yōu)缺點無法簡單地、絕對地去做比較：TCP 用于在傳輸層有必要實現(xiàn)可靠傳輸?shù)那闆r;而在一方面，UDP 主要用于那些對高速傳輸和實時性有較高要求的通信或廣播通信。TCP 和 UDP 應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的目的按需使用。

1. 端口號

數(shù)據(jù)鏈路和 IP 中的地址，分別指的是 MAC 地址和 IP 地址。前者用來識別同一鏈路中不同的計算機，后者用來識別 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中互連的主機和路由器。在傳輸層也有這種類似于地址的概念，那就是端口號。端口號用來識別同一臺計算機中進行通信的不同應(yīng)用程序。因此，它也被稱為程序地址。

1.1 根據(jù)端口號識別應(yīng)用

一臺計算機上同時可以運行多個程序。傳輸層協(xié)議正是利用這些端口號識別本機中正在進行通信的應(yīng)用程序，并準確地將數(shù)據(jù)傳輸。

通過端口號識別應(yīng)用

1.2 通過 IP 地址、端口號、協(xié)議號進行通信識別

• 僅憑目標端口號識別某一個通信是遠遠不夠的。

通過端口號、IP地址、協(xié)議號進行通信識別

• ① 和② 的通信是在兩臺計算機上進行的。它們的目標端口號相同，都是80。這里可以根據(jù)源端口號加以區(qū)分。
• ③ 和 ① 的目標端口號和源端口號完全相同，但它們各自的源 IP 地址不同。
• 此外，當 IP 地址和端口號全都一樣時，我們還可以通過協(xié)議號來區(qū)分(TCP 和 UDP)。

1.3 端口號的確定

• 標準既定的端口號：這種方法也叫靜態(tài)方法。它是指每個應(yīng)用程序都有其指定的端口號。但并不是說可以隨意使用任何一個端口號。例如 HTTP、FTP、TELNET 等廣為使用的應(yīng)用協(xié)議中所使用的端口號就是固定的。這些端口號被稱為知名端口號，分布在 0~1023 之間;除知名端口號之外，還有一些端口號被正式注冊，它們分布在 1024~49151 之間，不過這些端口號可用于任何通信用途。
• 時序分配法：服務(wù)器有必要確定監(jiān)聽端口號，但是接受服務(wù)的客戶端沒必要確定端口號。在這種方法下，客戶端應(yīng)用程序完全可以不用自己設(shè)置端口號，而全權(quán)交給操作系統(tǒng)進行分配。動態(tài)分配的端口號范圍在 49152~65535 之間。

1.4 端口號與協(xié)議

• 端口號由其使用的傳輸層協(xié)議決定。因此，不同的傳輸層協(xié)議可以使用相同的端口號。
• 此外，那些知名端口號與傳輸層協(xié)議并無關(guān)系。只要端口一致都將分配同一種應(yīng)用程序進行處理。

2. UDP

• UDP 不提供復雜的控制機制，利用 IP 提供面向無連接的通信服務(wù)。
• 并且它是將應(yīng)用程序發(fā)來的數(shù)據(jù)在收到的那一刻，立即按照原樣發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的一種機制。即使是出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，UDP 也無法進行流量控制等避免網(wǎng)絡(luò)擁塞行為。
• 此外，傳輸途中出現(xiàn)丟包，UDP 也不負責重發(fā)。
• 甚至當包的到達順序出現(xiàn)亂序時也沒有糾正的功能。
• 如果需要以上的細節(jié)控制，不得不交由采用 UDP 的應(yīng)用程序去處理。
• UDP 常用于一下幾個方面：1.包總量較少的通信(DNS、SNMP等);2.視頻、音頻等多媒體通信(即時通信);3.限定于 LAN 等特定網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用通信;4.廣播通信(廣播、多播)。

3. TCP

• TCP 與 UDP 的區(qū)別相當大。它充分地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸時各種控制功能，可以進行丟包時的重發(fā)控制，還可以對次序亂掉的分包進行順序控制。而這些在 UDP 中都沒有。
• 此外，TCP 作為一種面向有連接的協(xié)議，只有在確認通信對端存在時才會發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以控制通信流量的浪費。
• 根據(jù) TCP 的這些機制，在 IP 這種無連接的網(wǎng)絡(luò)上也能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的通信( 主要通過檢驗和、序列號、確認應(yīng)答、重發(fā)控制、連接管理以及窗口控制等機制實現(xiàn))。

3.1 三次握手(重點)

• TCP 提供面向有連接的通信傳輸。面向有連接是指在數(shù)據(jù)通信開始之前先做好兩端之間的準備工作。
• 所謂三次握手是指建立一個 TCP 連接時需要客戶端和服務(wù)器端總共發(fā)送三個包以確認連接的建立。在socket編程中，這一過程由客戶端執(zhí)行connect來觸發(fā)。

下面來看看三次握手的流程圖：

三次握手

• ***次握手：客戶端將標志位SYN置為1，隨機產(chǎn)生一個值seq=J，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，客戶端進入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)器端確認。
• 第二次握手：服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)包后由標志位SYN=1知道客戶端請求建立連接，服務(wù)器端將標志位SYN和ACK都置為1，ack=J+1，隨機產(chǎn)生一個值seq=K，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端以確認連接請求，服務(wù)器端進入SYN_RCVD狀態(tài)。
• 第三次握手：客戶端收到確認后，檢查ack是否為J+1，ACK是否為1，如果正確則將標志位ACK置為1，ack=K+1，并將該數(shù)據(jù)包發(fā)送給服務(wù)器端，服務(wù)器端檢查ack是否為K+1，ACK是否為1，如果正確則連接建立成功，客戶端和服務(wù)器端進入ESTABLISHED狀態(tài)，完成三次握手，隨后客戶端與服務(wù)器端之間可以開始傳輸數(shù)據(jù)了。

3.2 四次揮手(重點)

四次揮手即終止TCP連接，就是指斷開一個TCP連接時，需要客戶端和服務(wù)端總共發(fā)送4個包以確認連接的斷開。在socket編程中，這一過程由客戶端或服務(wù)端任一方執(zhí)行close來觸發(fā)。

由于TCP連接是全雙工的，因此，每個方向都必須要單獨進行關(guān)閉，這一原則是當一方完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后，發(fā)送一個FIN來終止這一方向的連接，收到一個FIN只是意味著這一方向上沒有數(shù)據(jù)流動了，即不會再收到數(shù)據(jù)了，但是在這個TCP連接上仍然能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，直到這一方向也發(fā)送了FIN。首先進行關(guān)閉的一方將執(zhí)行主動關(guān)閉，而另一方則執(zhí)行被動關(guān)閉。

下面來看看四次揮手的流程圖：

四次揮手

• 中斷連接端可以是客戶端，也可以是服務(wù)器端。
• ***次揮手：客戶端發(fā)送一個FIN=M，用來關(guān)閉客戶端到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)傳送，客戶端進入FIN_WAIT_1狀態(tài)。意思是說"我客戶端沒有數(shù)據(jù)要發(fā)給你了"，但是如果你服務(wù)器端還有數(shù)據(jù)沒有發(fā)送完成，則不必急著關(guān)閉連接，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 第二次揮手：服務(wù)器端收到FIN后，先發(fā)送ack=M+1，告訴客戶端，你的請求我收到了，但是我還沒準備好，請繼續(xù)你等我的消息。這個時候客戶端就進入FIN_WAIT_2 狀態(tài)，繼續(xù)等待服務(wù)器端的FIN報文。
• 第三次揮手：當服務(wù)器端確定數(shù)據(jù)已發(fā)送完成，則向客戶端發(fā)送FIN=N報文，告訴客戶端，好了，我這邊數(shù)據(jù)發(fā)完了，準備好關(guān)閉連接了。服務(wù)器端進入LAST_ACK狀態(tài)。
• 第四次揮手：客戶端收到FIN=N報文后，就知道可以關(guān)閉連接了，但是他還是不相信網(wǎng)絡(luò)，怕服務(wù)器端不知道要關(guān)閉，所以發(fā)送ack=N+1后進入TIME_WAIT狀態(tài)，如果Server端沒有收到ACK則可以重傳。服務(wù)器端收到ACK后，就知道可以斷開連接了。客戶端等待了2MSL后依然沒有收到回復，則證明服務(wù)器端已正常關(guān)閉，那好，我客戶端也可以關(guān)閉連接了。最終完成了四次握手。
• 上面是一方主動關(guān)閉，另一方被動關(guān)閉的情況，實際中還會出現(xiàn)同時發(fā)起主動關(guān)閉的情況，

具體流程如下圖：

 

同時揮手

3.3 通過序列號與確認應(yīng)答提高可靠性

• 在 TCP 中，當發(fā)送端的數(shù)據(jù)到達接收主機時，接收端主機會返回一個已收到消息的通知。這個消息叫做確認應(yīng)答(ACK)。當發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)出之后會等待對端的確認應(yīng)答。如果有確認應(yīng)答，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)成功到達對端。反之，則數(shù)據(jù)丟失的可能性很大。
• 在一定時間內(nèi)沒有等待到確認應(yīng)答，發(fā)送端就可以認為數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，并進行重發(fā)。由此，即使產(chǎn)生了丟包，仍然能夠保證數(shù)據(jù)能夠到達對端，實現(xiàn)可靠傳輸。
• 未收到確認應(yīng)答并不意味著數(shù)據(jù)一定丟失。也有可能是數(shù)據(jù)對方已經(jīng)收到，只是返回的確認應(yīng)答在途中丟失。這種情況也會導致發(fā)送端誤以為數(shù)據(jù)沒有到達目的地而重發(fā)數(shù)據(jù)。
• 此外，也有可能因為一些其他原因?qū)е麓_認應(yīng)答延遲到達，在源主機重發(fā)數(shù)據(jù)以后才到達的情況也屢見不鮮。此時，源主機只要按照機制重發(fā)數(shù)據(jù)即可。
• 對于目標主機來說，反復收到相同的數(shù)據(jù)是不可取的。為了對上層應(yīng)用提供可靠的傳輸，目標主機必須放棄重復的數(shù)據(jù)包。為此我們引入了序列號。
• 序列號是按照順序給發(fā)送數(shù)據(jù)的每一個字節(jié)(8位字節(jié))都標上號碼的編號。接收端查詢接收數(shù)據(jù) TCP 首部中的序列號和數(shù)據(jù)的長度，將自己下一步應(yīng)該接收的序列號作為確認應(yīng)答返送回去。通過序列號和確認應(yīng)答號，TCP 能夠識別是否已經(jīng)接收數(shù)據(jù)，又能夠判斷是否需要接收，從而實現(xiàn)可靠傳輸。

序列號和確認應(yīng)答

3.4 重發(fā)超時的確定

• 重發(fā)超時是指在重發(fā)數(shù)據(jù)之前，等待確認應(yīng)答到來的那個特定時間間隔。如果超過這個時間仍未收到確認應(yīng)答，發(fā)送端將進行數(shù)據(jù)重發(fā)。最理想的是，找到一個最小時間，它能保證“確認應(yīng)答一定能在這個時間內(nèi)返回”。
• TCP 要求不論處在何種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都要提供高性能通信，并且無論網(wǎng)絡(luò)擁堵情況發(fā)生何種變化，都必須保持這一特性。為此，它在每次發(fā)包時都會計算往返時間及其偏差。將這個往返時間和偏差時間相加，重發(fā)超時的時間就是比這個總和要稍大一點的值。
• 在 BSD 的 Unix 以及 Windows 系統(tǒng)中，超時都以0.5秒為單位進行控制，因此重發(fā)超時都是0.5秒的整數(shù)倍。不過，最初其重發(fā)超時的默認值一般設(shè)置為6秒左右。
• 數(shù)據(jù)被重發(fā)之后若還是收不到確認應(yīng)答，則進行再次發(fā)送。此時，等待確認應(yīng)答的時間將會以2倍、4倍的指數(shù)函數(shù)延長。
• 此外，數(shù)據(jù)也不會被***、反復地重發(fā)。達到一定重發(fā)次數(shù)之后，如果仍沒有任何確認應(yīng)答返回，就會判斷為網(wǎng)絡(luò)或?qū)Χ酥鳈C發(fā)生了異常，強制關(guān)閉連接。并且通知應(yīng)用通信異常強行終止。

3.5 以段為單位發(fā)送數(shù)據(jù)

• 在建立 TCP 連接的同時，也可以確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的單位，我們也可以稱其為“***消息長度”(MSS)。最理想的情況是，***消息長度正好是 IP 中不會被分片處理的***數(shù)據(jù)長度。
• TCP 在傳送大量數(shù)據(jù)時，是以 MSS 的大小將數(shù)據(jù)進行分割發(fā)送。進行重發(fā)時也是以 MSS 為單位。
• MSS 在三次握手的時候，在兩端主機之間被計算得出。兩端的主機在發(fā)出建立連接的請求時，會在 TCP 首部中寫入 MSS 選項，告訴對方自己的接口能夠適應(yīng)的 MSS 的大小。然后會在兩者之間選擇一個較小的值投入使用。

3.6 利用窗口控制提高速度

• TCP 以1個段為單位，每發(fā)送一個段進行一次確認應(yīng)答的處理。這樣的傳輸方式有一個缺點，就是包的往返時間越長通信性能就越低。
• 為解決這個問題，TCP 引入了窗口這個概念。確認應(yīng)答不再是以每個分段，而是以更大的單位進行確認，轉(zhuǎn)發(fā)時間將會被大幅地縮短。也就是說，發(fā)送端主機，在發(fā)送了一個段以后不必要一直等待確認應(yīng)答，而是繼續(xù)發(fā)送。如下圖所示：

窗口控制

• 窗口大小就是指無需等待確認應(yīng)答而可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的***值。上圖中窗口大小為4個段。這個機制實現(xiàn)了使用大量的緩沖區(qū)，通過對多個段同時進行確認應(yīng)答的功能。

3.7 滑動窗口控制

 

 

滑動窗口

• 上圖中的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)即便沒有收到確認應(yīng)答也可以被發(fā)送出去。不過，在整個窗口的確認應(yīng)答沒有到達之前，如果其中部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包，那么發(fā)送端仍然要負責重傳。為此，發(fā)送端主機需要設(shè)置緩存保留這些待被重傳的數(shù)據(jù)，直到收到他們的確認應(yīng)答。
• 在滑動窗口以外的部分包括未發(fā)送的數(shù)據(jù)以及已經(jīng)確認對端已收到的數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)發(fā)出后若如期收到確認應(yīng)答就可以不用再進行重發(fā)，此時數(shù)據(jù)就可以從緩存區(qū)清除。
• 收到確認應(yīng)答的情況下，將窗口滑動到確認應(yīng)答中的序列號的位置。這樣可以順序地將多個段同時發(fā)送提高通信性能。這種機制也別稱為滑動窗口控制。

3.8 窗口控制中的重發(fā)控制

在使用窗口控制中， 出現(xiàn)丟包一般分為兩種情況：

① 確認應(yīng)答未能返回的情況。在這種情況下，數(shù)據(jù)已經(jīng)到達對端，是不需要再進行重發(fā)的，如下圖：

部分確認應(yīng)答丟失

② 某個報文段丟失的情況。接收主機如果收到一個自己應(yīng)該接收的序列號以外的數(shù)據(jù)時，會針對當前為止收到數(shù)據(jù)返回確認應(yīng)答。如下圖所示，當某一報文段丟失后，發(fā)送端會一直收到序號為1001的確認應(yīng)答，因此，在窗口比較大，又出現(xiàn)報文段丟失的情況下，同一個序列號的確認應(yīng)答將會被重復不斷地返回。而發(fā)送端主機如果連續(xù)3次收到同一個確認應(yīng)答，就會將其對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行重發(fā)。這種機制比之前提到的超時管理更加高效，因此也被稱為高速重發(fā)控制。

高速重發(fā)控制

四、網(wǎng)絡(luò)層中的 IP 協(xié)議

• IP(IPv4、IPv6)相當于 OSI 參考模型中的第3層——網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是“實現(xiàn)終端節(jié)點之間的通信”。這種終端節(jié)點之間的通信也叫“點對點通信”。
• 網(wǎng)絡(luò)的下一層——數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是在互連同一種數(shù)據(jù)鏈路的節(jié)點之間進行包傳遞。而一旦跨越多種數(shù)據(jù)鏈路，就需要借助網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層可以跨越不同的數(shù)據(jù)鏈路，即使是在不同的數(shù)據(jù)鏈路上也能實現(xiàn)兩端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包傳輸。
• IP 大致分為三大作用模塊，它們是 IP 尋址、路由(最終節(jié)點為止的轉(zhuǎn)發(fā))以及 IP 分包與組包。

1. IP 地址

1.1 IP 地址概述

• 在計算機通信中，為了識別通信對端，必須要有一個類似于地址的識別碼進行標識。在數(shù)據(jù)鏈路中的 MAC 地址正是用來標識同一個鏈路中不同計算機的一種識別碼。
• 作為網(wǎng)絡(luò)層的 IP ,也有這種地址信息，一般叫做 IP 地址。IP 地址用于在“連接到網(wǎng)絡(luò)中的所有主機中識別出進行通信的目標地址”。因此，在 TCP/IP 通信中所有主機或路由器必須設(shè)定自己的 IP 地址。
• 不論一臺主機與哪種數(shù)據(jù)鏈路連接，其 IP 地址的形式都保持不變。
• IP 地址(IPv4 地址)由32位正整數(shù)來表示。IP 地址在計算機內(nèi)部以二進制方式被處理。然而，由于我們并不習慣于采用二進制方式，我們將32位的 IP 地址以每8位為一組，分成4組，每組以 “.” 隔開，再將每組數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。如下：

1.2 IP 地址由網(wǎng)絡(luò)和主機兩部分標識組成

如下圖，網(wǎng)絡(luò)標識在數(shù)據(jù)鏈路的每個段配置不同的值。網(wǎng)絡(luò)標識必須保證相互連接的每個段的地址不相重復。而相同段內(nèi)相連的主機必須有相同的網(wǎng)絡(luò)地址。IP 地址的“主機標識”則不允許在同一個網(wǎng)段內(nèi)重復出現(xiàn)。由此，可以通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址，在相互連接的整個網(wǎng)絡(luò)中保證每臺主機的 IP 地址都不會相互重疊。即 IP 地址具有了唯一性。

IP地址的主機標識

如下圖，IP 包被轉(zhuǎn)發(fā)到途中某個路由器時，正是利用目標 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)標識進行路由。因為即使不看主機標識，只要一見到網(wǎng)絡(luò)標識就能判斷出是否為該網(wǎng)段內(nèi)的主機。

IP地址的網(wǎng)絡(luò)標識

1.3 IP 地址的分類

• IP 地址分為四個級別，分別為A類、B類、C類、D類。它根據(jù) IP 地址中從第 1 位到第 4 位的比特列對其網(wǎng)絡(luò)標識和主機標識進行區(qū)分。
• A 類 IP 地址是首位以 “0” 開頭的地址。從第 1 位到第 8 位是它的網(wǎng)絡(luò)標識。用十進制表示的話，0.0.0.0~127.0.0.0 是 A 類的網(wǎng)絡(luò)地址。A 類地址的后 24 位相當于主機標識。因此，一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為16,777,214個。
• B 類 IP 地址是前兩位 “10” 的地址。從第 1 位到第 16 位是它的網(wǎng)絡(luò)標識。用十進制表示的話，128.0.0.0~191.255.0.0 是 B 類的網(wǎng)絡(luò)地址。B 類地址的后 16 位相當于主機標識。因此，一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為65,534個。
• C 類 IP 地址是前三位為 “110” 的地址。從第 1 位到第 24 位是它的網(wǎng)絡(luò)標識。用十進制表示的話，192.0.0.0~223.255.255.0 是 C 類的網(wǎng)絡(luò)地址。C 類地址的后 8 位相當于主機標識。因此，一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為254個。
• D 類 IP 地址是前四位為 “1110” 的地址。從第 1 位到第 32 位是它的網(wǎng)絡(luò)標識。用十進制表示的話，224.0.0.0~239.255.255.255 是 D 類的網(wǎng)絡(luò)地址。D 類地址沒有主機標識，常用于多播。
• 在分配 IP 地址時關(guān)于主機標識有一點需要注意。即要用比特位表示主機地址時，不可以全部為 0 或全部為 1。因為全部為 0 只有在表示對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址或 IP 地址不可以獲知的情況下才使用。而全部為 1 的主機通常作為廣播地址。因此，在分配過程中，應(yīng)該去掉這兩種情況。這也是為什么 C 類地址每個網(wǎng)段最多只能有 254( 28 - 2 = 254)個主機地址的原因。

1.4 廣播地址

• 廣播地址用于在同一個鏈路中相互連接的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包。將 IP 地址中的主機地址部分全部設(shè)置為 1，就成了廣播地址。
• 廣播分為本地廣播和直接廣播兩種。在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣播叫做本地廣播;在不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播叫做直接廣播。

1.5 IP 多播

• 多播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機。由于其直接使用 IP 地址，因此也不存在可靠傳輸。
• 相比于廣播，多播既可以穿透路由器，又可以實現(xiàn)只給那些必要的組發(fā)送數(shù)據(jù)包。請看下圖：

IP 多播

• 多播使用 D 類地址。因此，如果從首位開始到第 4 位是 “1110”，就可以認為是多播地址。而剩下的 28 位可以成為多播的組編號。
• 此外， 對于多播，所有的主機(路由器以外的主機和終端主機)必須屬于 224.0.0.1 的組，所有的路由器必須屬于 224.0.0.2 的組。

1.6 子網(wǎng)掩碼

• 現(xiàn)在一個 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)標識和主機標識已不再受限于該地址的類別，而是由一個叫做“子網(wǎng)掩碼”的識別碼通過子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址細分出比 A 類、B 類、C 類更小粒度的網(wǎng)絡(luò)。這種方式實際上就是將原來 A 類、B 類、C 類等分類中的主機地址部分用作子網(wǎng)地址，可以將原網(wǎng)絡(luò)分為多個物理網(wǎng)絡(luò)的一種機制。
• 子網(wǎng)掩碼用二進制方式表示的話，也是一個 32 位的數(shù)字。它對應(yīng) IP 地址網(wǎng)絡(luò)標識部分的位全部為 “1”，對應(yīng) IP 地址主機標識的部分則全部為 “0”。由此，一個 IP 地址可以不再受限于自己的類別，而是可以用這樣的子網(wǎng)掩碼自由地定位自己的網(wǎng)絡(luò)標識長度。當然，子網(wǎng)掩碼必須是 IP 地址的首位開始連續(xù)的 “1”。
• 對于子網(wǎng)掩碼，目前有兩種表示方式。***種是，將 IP 地址與子網(wǎng)掩碼的地址分別用兩行來表示。以 172.20.100.52 的前 26 位是網(wǎng)絡(luò)地址的情況為例，如下：

第二種表示方式是，在每個 IP 地址后面追加網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)用 “/ ” 隔開，如下：

2. 路由

發(fā)送數(shù)據(jù)包時所使用的地址是網(wǎng)絡(luò)層的地址，即 IP 地址。然而僅僅有 IP 地址還不足以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到對端目標地址，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中還需要類似于“指明路由器或主機”的信息，以便真正發(fā)往目標地址。保存這種信息的就是路由控制表。

該路由控制表的形成方式有兩種：一種是管理員手動設(shè)置，另一種是路由器與其他路由器相互交換信息時自動刷新。前者也叫做靜態(tài)路由控制，而后者叫做動態(tài)路由控制。

IP 協(xié)議始終認為路由表是正確的。然后，IP 本身并沒有定義制作路由控制表的協(xié)議。即 IP 沒有制作路由控制表的機制。該表示由一個叫做“路由協(xié)議”的協(xié)議制作而成。

2.1 IP 地址與路由控制

• IP 地址的網(wǎng)絡(luò)地址部分用于進行路由控制。
• 路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址。
• 在發(fā)送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，根據(jù)該記錄將 IP 包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，就選擇一個最為吻合的網(wǎng)絡(luò)地址。

路由控制表與 IP 包發(fā)送

3. IP 分包與組包

• 每種數(shù)據(jù)鏈路的***傳輸單元(MTU)都不盡相同，因為每個不同類型的數(shù)據(jù)鏈路的使用目的不同。使用目的不同，可承載的 MTU 也就不同。
• 任何一臺主機都有必要對 IP 分片進行相應(yīng)的處理。分片往往在網(wǎng)絡(luò)上遇到比較大的報文無法一下子發(fā)送出去時才會進行處理。
• 經(jīng)過分片之后的 IP 數(shù)據(jù)報在被重組的時候，只能由目標主機進行。路由器雖然做分片但不會進行重組。

3.1 路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)

• 分片機制也有它的不足。如路由器的處理負荷加重之類。因此，只要允許，是不希望由路由器進行 IP 數(shù)據(jù)包的分片處理的。
• 為了應(yīng)對分片機制的不足，“路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)” 技術(shù)應(yīng)運而生。路徑 MTU 指的是，從發(fā)送端主機到接收端主機之間不需要分片是*** MTU 的大小。即路徑中存在的所有數(shù)據(jù)鏈路中最小的 MTU 。
• 進行路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)，就可以避免在中途的路由器上進行分片處理，也可以在 TCP 中發(fā)送更大的包。

4. IPv6

• IPv6(IP version 6)是為了根本解決 IPv4 地址耗盡的問題而被標準化的網(wǎng)際協(xié)議。IPv4 的地址長度為 4 個 8 位字節(jié)，即 32 比特。而 IPv6 的地址長度則是原來的 4 倍，即 128 比特，一般寫成 8 個 16 位字節(jié)。

4.1 IPv6 的特點

• IP 得知的擴大與路由控制表的聚合。
• 性能提升。包首部長度采用固定的值(40字節(jié))，不再采用首部檢驗碼。簡化首部結(jié)構(gòu)，減輕路由器負擔。路由器不再做分片處理。
• 支持即插即用功能。即使沒有DHCP服務(wù)器也可以實現(xiàn)自動分配 IP 地址。
• 采用認證與加密功能。應(yīng)對偽造 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)安全功能以及防止線路竊聽的功能。
• 多播、Mobile IP 成為擴展功能。

4.2 IPv6 中 IP 地址的標記方法

• 一般人們將 128 比特 IP 地址以每 16 比特為一組，每組用冒號(“：”)隔開進行標記。
• 而且如果出現(xiàn)連續(xù)的 0 時還可以將這些 0 省略，并用兩個冒號(“：：”)隔開。但是，一個 IP 地址中只允許出現(xiàn)一次兩個連續(xù)的冒號。

4.3 IPv6 地址的結(jié)構(gòu)

IPv6 類似 IPv4，也是通過 IP 地址的前幾位標識 IP 地址的種類。

在互聯(lián)網(wǎng)通信中，使用一種全局的單播地址。它是互聯(lián)網(wǎng)中唯一的一個地址，不需要正式分配 IP 地址。

4.4 全局單播地址

全局單播地址是指世界上唯一的一個地址。它是互聯(lián)網(wǎng)通信以及各個域內(nèi)部通信中最為常用的一個 IPv6 地址。

格式如下圖所示，現(xiàn)在 IPv6 的網(wǎng)絡(luò)中所使用的格式為，n = 48，m = 16 以及 128 - n - m = 64。即前 64 比特為網(wǎng)絡(luò)標識，后 64 比特為主機標識。

全局單播地址

4.5 鏈路本地單播地址

鏈路本地單播地址是指在同一個數(shù)據(jù)鏈路內(nèi)唯一的地址。它用于不經(jīng)過路由器，在同一個鏈路中的通信。通常接口 ID 保存 64 比特版的 MAC 地址。

 

鏈路本地單播地址

4.6 唯一本地地址

• 唯一本地地址是不進行互聯(lián)網(wǎng)通信時所用的地址。
• 唯一本地地址雖然不會與互聯(lián)網(wǎng)連接，但是也會盡可能地隨機生成一個唯一的全局 ID。
• L 通常被置為 1
• 全局 ID 的值隨機決定
• 子網(wǎng) ID 是指該域子網(wǎng)地址
• 接口 ID 即為接口的 ID

唯一本地地址

4.7 IPv6 分段處理

• IPv6 的分片處理只在作為起點的發(fā)送端主機上進行，路由器不參與分片。
• IPv6 中最小 MTU 為 1280 字節(jié)，因此，在嵌入式系統(tǒng)中對于那些有一定系統(tǒng)資源限制的設(shè)備來說，不需要進行“路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)”，而是在發(fā)送 IP 包時直接以 1280 字節(jié)為單位分片送出。

4.8 IP 首部(暫略)

5. IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù)

• IP 旨在讓最終目標主機收到數(shù)據(jù)包，但是在這一過程中僅僅有 IP 是無法實現(xiàn)通信的。必須還有能夠解析主機名稱和 MAC 地址的功能，以及數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中異常情況處理的功能。

5.1 DNS

• 我們平常在訪問某個網(wǎng)站時不適用 IP 地址，而是用一串由羅馬字和點號組成的字符串。而一般用戶在使用 TCP/IP 進行通信時也不使用 IP 地址。能夠這樣做是因為有了 DNS (Domain Name System)功能的支持。DNS 可以將那串字符串自動轉(zhuǎn)換為具體的 IP 地址。
• 這種 DNS 不僅適用于 IPv4，還適用于 IPv6。

5.2 ARP

• 只要確定了 IP 地址，就可以向這個目標地址發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報。然而，在底層數(shù)據(jù)鏈路層，進行實際通信時卻有必要了解每個 IP 地址所對應(yīng)的 MAC 地址。
• ARP 是一種解決地址問題的協(xié)議。以目標 IP 地址為線索，用來定位下一個應(yīng)該接收數(shù)據(jù)分包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對應(yīng)的 MAC 地址。不過 ARP 只適用于 IPv4，不能用于 IPv6。IPv6 中可以用 ICMPv6 替代 ARP 發(fā)送鄰居探索消息。
• RARP 是將 ARP 反過來，從 MAC 地址定位 IP 地址的一種協(xié)議。

5.3 ICMP

• ICMP 的主要功能包括，確認 IP 包是否成功送達目標地址，通知在發(fā)送過程當中 IP 包被廢棄的具體原因，改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。
• IPv4 中 ICMP 僅作為一個輔助作用支持 IPv4。也就是說，在 IPv4 時期，即使沒有 ICMP，仍然可以實現(xiàn) IP 通信。然而，在 IPv6 中，ICMP 的作用被擴大，如果沒有 ICMPv6，IPv6 就無法進行正常通信。

5.4 DHCP

• 如果逐一為每一臺主機設(shè)置 IP 地址會是非常繁瑣的事情。特別是在移動使用筆記本電腦、只能終端以及平板電腦等設(shè)備時，每移動到一個新的地方，都要重新設(shè)置 IP 地址。
• 于是，為了實現(xiàn)自動設(shè)置 IP 地址、統(tǒng)一管理 IP 地址分配，就產(chǎn)生了 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)協(xié)議。有了 DHCP，計算機只要連接到網(wǎng)絡(luò)，就可以進行 TCP/IP 通信。也就是說，DHCP 讓即插即用變得可能。
• DHCP 不僅在 IPv4 中，在 IPv6 中也可以使用。

5.5 NAT

• NAT(Network Address Translator)是用于在本地網(wǎng)絡(luò)中使用私有地址，在連接互聯(lián)網(wǎng)時轉(zhuǎn)而使用全局 IP 地址的技術(shù)。
• 除轉(zhuǎn)換 IP 地址外，還出現(xiàn)了可以轉(zhuǎn)換 TCP、UDP 端口號的 NAPT(Network Address Ports Translator)技術(shù)，由此可以實現(xiàn)用一個全局 IP 地址與多個主機的通信。
• NAT(NAPT)實際上是為正在面臨地址枯竭的 IPv4 而開發(fā)的技術(shù)。不過，在 IPv6 中為了提高網(wǎng)絡(luò)安全也在使用 NAT，在 IPv4 和 IPv6 之間的相互通信當中常常使用 NAT-PT。

5.6 IP 隧道

夾著 IPv4 網(wǎng)絡(luò)的兩個 IPv6 網(wǎng)絡(luò)

• 如上圖的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò) A 與網(wǎng)絡(luò) B 之間無法直接進行通信，為了讓它們之間正常通信，這時必須得采用 IP 隧道的功能。
• IP 隧道可以將那些從網(wǎng)絡(luò) A 發(fā)過來的 IPv6 的包統(tǒng)合為一個數(shù)據(jù)，再為之追加一個 IPv4 的首部以后轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò) C。
• 一般情況下，緊接著 IP 首部的是 TCP 或 UDP 的首部。然而，現(xiàn)在的應(yīng)用當中“ IP 首部的后面還是 IP 首部”或者“ IP 首部的后面是 IPv6 的首部”等情況與日俱增。這種在網(wǎng)絡(luò)層的首部后面追加網(wǎng)絡(luò)層首部的通信方法就叫做“ IP 隧道”。