1. 应用层: HTTP和HTTPS

   [TCP/IP] 初识应用层协议: 序列化与反序列化、编码与解码、jsoncpp简单食用…

   [TCP/IP] 应用层代表协议—HTTP协议 以及 HTTPS协议 分析合集

2. 传输层: TCP和UDP

   [TCP/IP] 传输层代表协议—UDP协议介绍 合集

   [TCP/IP] 传输层代表协议—TCP协议介绍 合集

IP协议

1. 应用层协议:

   主要做数据的处理工作, 包括: 序列化/反序列化, 协议处理, 分析读取完整报文等

2. 传输层协议:

   更多与通信的场景有关, 数据传输是否需要保障可靠性, 通信是否需要建立连接等等

   通常TCP协议需要实现的最重要的工作是 保证数据在网络中传输的可靠性

主机: 拥有IP地址, 但不做路由控制的设备(有能力, 但不做)

路由器: 拥有IP地址, 并做路由控制的设备

节点: 网络中主机和路由器的统称

IP协议格式

1. [0, 3]: 4位版本, 用以区分IP协议的版本, 现在熟知的就是ipv4和ipv6, 此字段就是用来区分协议版本的

   不得不说, 协议的设计者是真的有前瞻性, 早早的就将区分版本的字段给留了出来

2. [4, 7]: 4位首部长度, 用于记录当前报头大小, 4位可表示0~15, 计算报头大小时 要*4, 所以报头大小范围为: 20~60字节

3. [8, 15]: 8位服务类型(TOS)

   其中, 前三位[8, 10]为优先权字段, 但已经弃用

   [11, 14]为TOS字段, 只允许最多有一位设置为1, 分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本 (即, 需要实现什么属性)

   [15]保留字段, 没有使用

   此字段一般不需要进行设置, 除非真的有需求

4. [16, 31]: 16位总长度(字节), 用于记录当前报文大小

5. [32, 47]: 16位标识, 起 报文分片标识作用 (后面介绍)

6. [48, 50]: 3位标志, 起 报文分片标志作用, 第一位保留不用 (后面介绍)

7. [51, 63]: 13位片偏移, 起 报文分片整理作用 (后面介绍)

8. [64, 71]: 8位生存时间(TTL), 标识IP报文在网络中的最长生存时间

   当数据被发送到网络中之后, 数据会经过许多次的路由转发

   正常情况下, 经过许多次的路由转发, 数据可以正常的被对端主机接收到

   但是在不正常的情况下, 可能因为一些情况对端无法接收数据, 数据可能在网络中不断路由, 即 数据在网络中游离. 此时, 就需要将数据丢弃掉, 防止占用网络资源

   此字段, 即 表示数据可在网络中路由转发的最长次数, 即 数据在网络中转发的跳数

   不可过大, 不可过小

9. [72, 79]: 8位协议, 用于表示上层(传输层)使用协议, 用于分用

10. [80, 95]: 16位首部校验和, 用于校验协议报头是否损坏

11. [96, 127]: 32位源IP地址, 记录发送方主机IP地址, 很重要的字段

12. [128, 159]: 32位目的IP地址, 记录目的主机的IP地址, 很重要的字段

13. 至此, 一共[0, 159]位, 20字节, 即 ipv4首部标准长度为20字节

14. 可能: [160, ...]: 选项, 一般情况下不会使用, 具体选项 具体分析

关于这三个操作的概念:

1. 封装:

   TCP/IP协议中, 当上层需要将数据发送到下层时, 就要对数据进行封装

   封装, 即 在有效数据之前添加所用协议的报头

   然后, 才会将封装好的数据交付给下一层

2. 解包:

   在TCP/IP协议中, 当对端主机接收到完整数据时, 会对数据进行解包

   解包, 即 对接收到的数据, 将数据中 同协议的报头部分解析并去除掉

   比如, 如果传输层使用TCP协议发送数据, 那么接收方的传输层接收到数据之后, 会分析数据的TCP报头, 并将有效载荷(不包括协议报头的数据部分)提取出来

   然后, 才会将有效载荷交付给上层

3. 分用:

   在TCP/IP协议中, 当对端主机需要将数据从下层交付到上层时, 需要进行分用

   分用, 即 将有效载荷交付给上层中指定的协议, 因为相同协议才能正确处理数据中的协议报头

   因为, 同一层中会存在很多不同的、使用场景不同的协议, 所以需要解析出需要数据封装时所使用的协议, 才能将数据交付给上层

IP协议的分片

1. 对端主机如何确认数据是否分片?
2. 如何确认分片数据之前是否属于同一数据?
3. 如何确认已经完整的收到了同一数据的所有分片?
4. 如何对已经分片的数据进行还原?

1. 对端主机 如何确认数据是否分片?

   当IP协议需要对数据进行分片时, 会对分片数据的IP协议报头的[48, 50]: 3位标志的对应位, 进行填充

   第[48]位, 保留位 不被使用

   第[49]位, 如果此位被设置为1, 表示禁止IP协议对数据分片. 此时, 当数据过大时, 将会被直接丢弃

   第[50]位, 用以表示 是否有更多分片:

   当 此位被填充为1, 表示后面还有更多分片, 同时也表示 当前数据为分片数据

   当 此位被填充为0, 表示后面没有更多分片 或 表示此数据为非分片数据

   是否有更多分片是什么意思呢?

   当, IP协议对数据进行分片时, 会按照分先后顺序对数据进行分片

   如果, IP协议接收到6230字节的上层数据, 就会对数据进行分片, 可能会将[0, 1023] [1024, 2047] [2048, 3071] [3071, 4085] [4096, 5119] [5120, 6143] [6144, 6229]字节的数据, 均进行封装, 分片为个7最大不超过1500字节的IP数据报

   那么对于前6个分片数据, IP协议报头的第[50]位, 会被填充为1, 最后一个分片数据的 则会被填充为0

   所以, 当读取到IP协议报头的第[50]位为1时, 就说明还有属于同一数据的分片报文

2. 对端主机 如何确认分片数据 之前是否属于同一数据?

   [32, 47] 16位标识, 就是用来标识 分片数据原来所属的数据的

   如果, IP协议需要对接收到的数据进行分片, 就会将这些分片的16位标识 均填充为相同的值

   这样, 对端主机读取时, 就能够识别到分片数据 所属的原数据

3. 对端主机 如何确认已经完整的收到了同一数据的所有分片?

   首先, 对端必须接收到 报头第[50]位为0的分片数据

   然后就要根据[51, 63] 13位片偏移 确认是否有分片数据丢失了

   [51, 63] 13位片偏移, 填充的是 分片之后数据的首位置 相对 于原数据首位置的偏移量 再/8

   根据偏移量是否连续, 就可以确认是否完整的收到了同一数据的分片

   因为, [51, 63]为填充的是分片偏移量/8

   所以, 除了最后一个分片, 前面分片的大小需要为8的倍数

4. 对端主机 如何对分片数据进行还原?

   根据[51, 63] 13为片偏移 进行还原

子网划分**

IP地址

为什么路由器 通过网络号找目标网络 可以更快速地找到目标主机?

因为, 找目标网络可以按照网络排除一批主机, 而不是一个一个主机对比

IP划分方式

1. A类, 前8位为网络号, 且必须最高位必须为0

   包含IP地址为: 0.0.0.0 到 127.255.255.255

   后24位为主机号, 那么A类网络中, 可包含主机数: 256*256*256(16,777,216), 用于大型网络

2. B类, 前16位为网络号, 且最高两位必须为10

   包含IP地址为: 128.0.0.0 到 191.255.255.255

   后16位为主机号, 那么B类网络中, 可包含主机数: 256*256(65536), 用于中型网络

3. C类, 前24位为网络号, 且最高三位必须为110

   包含IP地址为: 192.0.0.0 到 223.255.255.255

   后16位为主机号, 那么B类网络中, 可包含主机数: 256, 用于小型网络

4. D类, 不做日常使用, 用于组播通信, 最高四位必须为1110

   包含IP地址为: 224.0.0.0 到 239.255.255.255

5. E类, 一般不用, 最高五位必须为11110

   包含IP地址为: 240.0.0.0 到 247.255.255.255

1. 引入一个叫 子网掩码(subnet mask) 的东西, 用于划分 网络号和主机号;

2. 子网掩码是一个32位正整数, 子网掩码 由高位开始置1, 如果高位有N个1, 就表示对应IP高N位为网络号

   比如

   若存在IP以二进制表示: 11000000 10101000 00000101 10011101(192.168.5.157)

   若其高位前24位为网络号, 那么对应的子网掩码就应该是:

   11111111 11111111 11111111 00000000, 高24位置1

3. 如果直到IP地址 和 子网掩码, 要求获取IP地址的网络号, 就可以 IP地址 & 子网掩码 计算

   子网掩码还有一种方式表示, IP/子网掩码位数

子网掩码划分的优点

1. 使用子网掩码, 可以更细化地划分IP地址

   比如 最小可以划分出 只有两台主机的网段, 只需要将子网掩码设置为11111111 11111111 11111111 11111110, 即 前31位是网络位

   那么, 一个网段中 最多只有两台主机

2. 使用子网掩码, 可以更灵活地划分子网IP地址

   如果是类别划分, 就只有那三种类别可以在日常中使用, 网络号就只有8位、16位和24位三种情况

   而使用子网掩码划分, 可以随意地在合法范围内划分网络号的位数, 从1位到31位都可以

IPv4地址的限制

1. 0.0.0.0, 代表当前主机所在的整个网络
2. 127.*, 用于本机IP地址环回, 通常为127.0.0.1
3. 255.255.255.255, 即 IP地址的32位全设置为1, 表示广播地址, 当向此IP发送数据时, 表示向同一子网中的所有主机发数据

1. 动态分配IP地址

   即, 在设备不接入网络时 不分配IP地址, 在接入网络时, 动态分配IP地址

   所以, 同一个网卡设备, 每次接入网络时, IP可能并不会相同

2. 使用IPv6协议

   IPv6协议的IP地址是128位的, IPv6地址的数量级是 10的38次方, 而IPv4只有10的9次方

   IPv6号称可以给地球上的每一粒沙子都分配一个IP地址

   所以, 使用IPv6好像可以没有后顾之忧的解决IPv4地址不足的情况

   不过, IPv6还没有完全发展起来, 并且与IPv4完全不兼容

   ---

   但是, 为什么现在绝大多数还是使用的IPv4呢?

3. NAT技术*

   NAT技术, 是IPv4依旧坚挺的最大原因之一, 篇幅原因暂不介绍

公有IP和私有IP**

1. 10.*, 至少前8位为网络位
2. 172.16到172.31, 至少前12位为网络位
3. 192.168.*, 至少前16是网络号

NAT 和 NAPT 技术

1. Windows可以在设置 或 通过ipconfig命令, 查看当前网络的IP:

2. Linux也可以通过ifconfig 或 ip命令, 查看当前网络IP:

NAT 网络地址转换

1. 数据报会从设备传输到家用路由器

   家用路由器接收到数据报, 会进行解包, 并重新封装

   不过, 由路由器重新封装的数据报的IP报头会发生变化

   路由器会将 数据报中 IP报头的源IP字段, 填充为路由器的WAN口IP: 10.1.1.2, 目的IP字段不变

   家用路由器, 会对比目的IP, 对新的数据报进行转发, 目的IP不在路由器所在局域网内, 是在公网中

   家用路由器, 就将数据报传输给 同一个局域网内的运营商路由器(IP: 10.1.1.*)

2. 新数据报, 会从家用路由器传输到运营商路由器

   路由器会执行相同的操作, 将数据报的IP报头的源IP字段, 填充为路由器的WAN口IP: 122.77.241.4, 目的IP字段不变

   运营商路由器, WAN口IP已经是公网IP了, 已经可以访问公网了

   然后数据报就能够根据目的IP在网络中路由, 直到数据报达到目的网络

3. 数据报, 在公网中路由, 达到目的网络

   目的网络做出处理之后, 再根据收到 数据报的源IP地址 进行响应

   由 家庭设备向公网中发送数据的过程就完成

1. 设备A的IP是 私有IP, 不允许出现在公网, 公网设备无法将设备A的IP 填充为 目的IP

2. 公网设备收到的数据报中, 源IP是一个连接到公网的路由器的WAN口IP, 不是设备A的IP

   即, 公网设备无法得知设备A的IP, 更无法将设备A的IP 填充为 目的IP

3. 公网设备可以将响应数据报的目的IP填充为 收到的数据报的源IP

   但是, 如果目的IP为路由器的WAN口IP, 数据报就只能传输到路由器, 好像不能响应到设备A

4. 如果, 一个私网内的许多设备 都向 同一个服务器发送请求

   那么, 这些设备发送的数据, 在服务器收到时, 源IP都会是相同的, 服务器无法好像无法辨别数据报来自哪些设备

   服务器 要响应数据, 好像也更没有办法分辨同一私网内的各个设备

NAPT 网络地址端口转换

1. 设备A

   IP: 192.168.5.2

   存在进程P, Port: 8080

   进程P, 向公网中发送数据, IP报头中的源IP填充为192.168.5.2, TCP报头中的源Port填充为8080

2. 数据报会经过各种路由器的转发, 在转发至连接到公网的路由器之前, 都会进行NAPT

3. 当数据报发送到非公网路由器时

   1. 路由器会将数据报中, IP报头的源IP 转换为 路由器的WAN口IP

      除源IP之外, 路由器还会重新填充数据报的TCP报头的源Port

      这里Port是动态分配的, 在路由器里是唯一的

   2. 除了 转换数据报文中的 源IP 和 源Port 之外

      路由器还会构建一张表, 用于映射 转换前后的IP与Port

      比如:

      转换前 IP:Port	转换后 IP:Port
      192.168.5.2:8080	10.1.1.2:2255
      192.168.5.3:8080	10.1.1.2:2256

      经过这样的映射, 路由器就能够结合数据报文中的源IP和源Port两个字段, 确定数据的流向

NAT技术的缺点

1. 当 私网设备从未向公网发送过数据时

   公网设备就无法直接向私网设备发送数据

   因为, 没有路由器构建过此设备的IP:Port转换映射表

2. 转换映射表的生成和销毁, 都是需要一定的资源开销的

3. 通信过程中, 一旦NAT设备发生异常, 建立好的所有TCP连接都会断开

路由表的查找

路由是根据网络号对比实现的, 所以 每一跳能够实现直接排除一整个网络, 拥有极高的效率