【Linux网络】网络层IP协议，数据链路层：以太网、ARP协议

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1、网络层

1.1 IP协议格式

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4 位版本号：指定 IP 协议的版本，对于 IPv4 来说，就是 4
4 位头部长度：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：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，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 0，其他是 1
13 位分片偏移：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乘以8得到的（2^13 * 2^3 = 2^16）。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
8 位生存时间：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

1.2 网段划分

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
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
DHCP 能够自动的给子网内新增主机节点分配 IP 地址，一般的路由器都带有 DHCP 功能

下面是以前一种划分网络号和主机号的方案，把所有 IP 地址分为五类：

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但是随着互联网的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，A 类地址很容易浪费，于是提出了新的划分方案：CIDR(Classless Interdomain Routing)

引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号
子网掩码也是一个 32 位的正整数，通常用一串 “0” 来结尾
将 IP 地址和子网掩码进行 “按位与” 操作，得到的结果就是网络号
网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、 B 类还是 C 类无关

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

1.3 私有 IP 地址和公网 IP 地址

如果一个组织内部组建局域网，IP 地址只用于局域网内的通信，而不直接连到互联网上，理论上使用任意的 IP 地址都可以，但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址：

10.* ，前 8 位是网络号，共 16,777,216 个地址
172.16.* 到 172.31.* ，前 12 位是网络号，共 1,048,576 个地址
192.168.* ，前 16 位是网络号，共 65,536 个地址

包含在这个范围中的，都是私有 IP，其余的则称为全局 IP(或公网 IP)。

一个路由器可以配置两个 IP 地址，一个是 WAN 口 IP，一个是 LAN 口 IP(子网IP)，路由器 LAN 口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中
子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将 IP 首部中的 IP 地址进行替换(替换成 WAN 口 IP)，这样逐级替换，最终数据包中的 IP 地址成为一个公网 IP。这种技术称为 NAT(Network Address Translation，网络地址转换)

1.4 路由

路由（Routing）是指在网络中把信息从源地点通过网络传输到目的地的过程。

IP 数据包的传输过程和问路一样：

当 IP 数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的 IP
路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器
依次反复，一直到达目标 IP 地址

如何判定当前这个数据包该发送到哪里，需要依靠每个节点内部维护一个路由表。

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如果目的 IP 命中了路由表，就直接转发即可。当目的地址与路由表中其它行都不匹配，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

2、数据链路层

用于两个设备(同一种数据链路节点)之间进行传递。

2.1 以太网

| 什么是以太网？

“以太网” 不是一种具体的网络，而是一种技术标准，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
以太网中的网线必须使用双绞线，传输速率有 10M、100M、1000M 等
以太网是当前应用最广泛的局域网技术，和以太网并列的还有令牌环网、无线
LAN 等

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(MAC 地址)，长度是 48 位，是网卡出厂时固化的
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

Mac 帧的数据部分长度在 46-1500 字节。设置最小长度的目的是为了确保在网络传输过程中有足够的时间进行冲突检测，避免因为帧长度过短而导致冲突检测失效的问题；最大长度的设置是为了适应不同的网络环境和数据传输需求，同时避免因为帧长度过长而导致网络设备处理效率下降或网络拥塞等问题。

| 以太网交换机：

用于连接多个计算机或网络设备的网络设备，能够在网络节点之间提供高速、低延迟的数据传输。

在一个局域网中，如果主机数量过多则发生数据碰撞的概率增加，交换机可以划分碰撞域，以降低数据碰撞的概率。
交换机的主要工作原理是通过对MAC地址的寻址和转发来实现数据的交换。同时，交换机还会自动学习发送数据帧的设备的MAC地址，并将其添加到自己的MAC地址表中，以便将来能够更高效地转发数据帧。

2.2 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，则需要对数据包进行分片

| MTU 对 IP 协议的影响：
所以由于数据链路层 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，并且 IP 层不负责重新传输数据