網絡層概述

虛擬互聯網絡

　　以前在數據鏈路層概述裏遺留了一個問題，就是若是主機發送的信息要跨設備傳輸，該如何實現呢？

　　實際上，在IP協議和網絡層中提出了一個概念，即虛擬互聯網絡，讓計算機都使用IP協議鏈接，這樣的話就不須要關注信息傳遞的時候的細節，只須要把信息發送到一個虛擬的互聯網絡中，這個網絡就能夠實現信息的傳遞

　　簡單點說，就是隻須要關注邏輯層上信息的傳遞（A發送給B），不須要關注物理層上信息是如何傳遞的（A如何發送到B）

　　能夠看出，在這個過程當中，IP協議發揮着重要的做用，包括：

　　1.使得複雜的實際網絡變爲一個虛擬互聯的網絡

　　2.使得網絡層能夠屏蔽底層細節，專一網絡層的數據轉發（這一點相似於1，也就是把物理上的問題轉換成邏輯上的）

　　3.解決了虛擬網絡中的數據報傳輸路徑

 

IP協議

IP地址

　　相似於數據鏈路層中的MAC地址，網絡層中也有地址，即IP地址，爲網絡中每個網絡設備的惟一身份並且不可改變，能夠用來識別不一樣的網絡設備

　　但MAC地址是永久不變的，而若是計算機所處的網絡環境發生變化（例如從家到圖書館），則IP地址會發生變化

　　IP地址通常用點分十進制表示，每一部分範圍爲0-255（如192.168.1.101），最多能夠表示2的32次方（4294961296）個不一樣的IP地址

IP數據表

　　以前說起，數據鏈路層得到的「幀」數據來自於網絡層的IP數據報

　　這裏的IP數據報包括IP首部以及IP數據報的數據，而IP首部有一個固定的格式（以下，圖片來自慕課網）

　　

版本

　　IP協議的版本，佔4位，通訊雙方必須用同樣的版本，目前主流爲IPV4

首部位長度

　　即IP首部長度，單位爲「32位字」（4個字節），一共佔4位，最大長度爲15

　　也就是首部最大長度爲4*15=60字節

總長度

　　IP數據報總長度（IP首部+IP數據），佔16位，最大數值爲65535

　　因爲這個數值比最大存儲單元（MTU）大，因此實際傳輸中，數據鏈路層會把IP數據報分片

標誌

　　主要的功能是標註IP數據報是否能夠分片

片偏移

　　用來記錄當前數據幀是第幾個偏移的IP數據，跟分片有關

TTL

　　表示報文在網絡中的壽命，8位，每通過一個設備減一，爲0時必須丟棄該報文

　　解決了報文在網絡中找不到終點時無限傳輸消耗帶寬的問題

協議

　　表示IP數據攜帶的具體數據是什麼協議的（TCP、UDP等），8位

　　不一樣的協議對應不一樣的值

首部校驗和

　　校驗IP首部是否有出錯，16位

源IP地址/目的IP地址

　　發送IP數據報/IP數據報到達的機器的地址

 

IP協議轉發流程

路由表

　　信息在網絡層中傳輸的時候，是用「逐跳」的方式進行的，也就是從一個網絡/設備「跳入」另外一個網絡/設備

　　路由表中就存儲着目的IP地址和下一跳IP地址的對應關係表，例如目的爲IP1，則下一跳到IP4這樣

　　計算機和路由器中都有路由表

轉發流程

　　在網絡層中，轉發流程以下：

　　1.發送信息的計算機會在其路由表中查詢目的IP地址的下一跳IP地址，而後把數據發給下一跳IP地址的路由器/計算機

　　2.收到信息的計算機/路由器繼續在其路由表中查找目的IP地址的下一跳IP地址，若是目的IP是和其直接相連的，則發送給目的計算機，不然繼續「跳」

 

　　而若是是網絡層和數據鏈路層以及物理層結合，則轉發流程以下：

　　（發送）

　　1.源計算機發出IP數據報，經過路由表查找下一跳地址

　　2.IP數據報被交給數據鏈路層，並被告知目的地址

　　3.數據鏈路層經過MAC表填充源MAC地址和目的MAC地址

　　4.數據鏈路層經過物理層發送數據

　　（接收&下一次發送）

　　5.目的MAC地址接收數據幀，並把該數據交給網絡層

　　6.目的計算機/設備查詢路由表，找到下一跳地址

　　7.數據報被交給數據鏈路層，並經過物理層再次發送

 

　　每一跳中，IP數據報的IP地址不變，而MAC地址一直在變化

 

ARP協議

ARP緩存表

　　IP協議的轉發中存在這樣一個問題，IP數據報從網絡層發送到數據鏈路層，可是傳輸時候是如何讓數據鏈路層知道要傳輸的MAC地址呢？這裏用到的就是ARP協議

　　ARP協議（Address Resolution Protocol），即地址解析協議，用來把網絡層的32位IP地址解析爲數據鏈路層的48位MAC地址

　　這一解析過程有一個重要的表，即ARP緩存表，把IP地址和MAC地址對應起來，是ARP協議和RARP協議的關鍵

　　1.若是緩存表中有IP地址和MAC地址信息，則直接解析，並把數據幀發送

　　2.若是沒有，則ARP協議廣播一個IP的信息，全部設備收到廣播後會看本身的IP是否是這個目標IP，是的話，該廣播的物理設備進入該IP地址以及對應的MAC地址

　　可是因爲IP地址可隨着設備所處的網絡環境發生變化，所以ARP協議存在有效期

　　能夠在命令提示符中輸入arp -a查看ARP緩存表

　　

　　ARP協議數據幀包括了2字節的類型、28字節的內容以及18字節的填充信息

 

RARP協議

　　RARP(Reverse Address Resolution Protocol)，即逆地址解析協議

　　和ARP協議相反，該協議用來把數據鏈路層的48位MAC地址解析爲網絡層的32位IP地址

　　RARP協議數據幀包括了2字節的類型、28字節的內容以及18字節的填充信息

 

　　在TCP/IP協議棧裏，ARP協議和RARP協議是最基礎的，而且整個操做過程對程序員是透明的

 

IP地址的子網劃分

　　前面咱們看到，IP地址有32位，可表示上億的不一樣IP地址，而爲了對這上億的IP地址進行區別和管理，咱們對IP地址進行了子網劃分

子網劃分

　　咱們把IP地址劃分爲網絡號和主機號，並根據網絡號和主機號長度，把IP地址分爲：

　　A類：網絡號8位（0-127，2的7次方個），主機號24位（2的24次方個），判斷時取前8位，頭位爲0（表示沒達到128）

　　B類：網絡號16位（128.0-191.255,2的14次方個），主機號16位（2的16次方個），判斷時取前8位，首兩位爲10（表示不到192）

　　C類：網絡號24位（192.0.0-223.255.255，2的21次方個），主機號8位（2的8次方個），判斷時取前8位，首兩位爲11（表示超過192）

特殊的主機號

　　全0：當前網絡段，不可分配特定的主機（如1.0.0.0）

　　全1：廣播地址，向當前網絡段全部主機發消息（如1.255.255.255）

特殊的網絡號

　　A類：全0爲特殊網絡，後7位全1爲迴環地址

　　其中127.0.0.1爲本地迴環地址，不屬於任何一個有類別的地址類，表明本地虛擬接口，能夠理解成一個永遠不會掉的接口

　　這個接口通常用來檢查本地網絡協議、基本數據接口是否正常

　　B類：如10000000.00000000（即128.0）也不可用

　　C類：192.0.0不可用

（未完待續）