网络层

网络层要解决的问题是数据在计算机之间的通信。

网络层传输的单位是IP数据包(packet)。

以太网帧的数据部分很多时候是由网络层传递的网络层的数据包。而网络层的数据包也有对应的头部和数据部分，数据部分是由传输层传递的。

网络层的数据可能不能由网络层传递的，比如IMCP协议 ,ARP协议，直接在网络层工作的。

网络层的结构

​ IP数据包的结构图

  • IP数据包 由 头部 和 数据部分两部分组成。
  • 因为以太网的首部 后是数据部分，所以以太网首部紧跟着就是网络层的首部。

版本 (4)

版本记录了传输的是ipv4 还是ipv6 。如果是ipv4 值就是0b0100 ipv6就是0b0110

首部长度(4)

版本加首部 占用

指的是当前的首部部分的长度是多少。(注意这个首部长度因为存储空间有限存储的是 实时大小 / 4 的值) 值在20 到60之间。

区分服务(8)

区分服务是可以在这个位置添加一个服务标识，在路由器设置特定网络标识的数据包优先通过。设置数据包的优先级。

总长度(16)

指的是 数据包首部 + 数据部分的总长度之和，最大的值是65535.

标识(16)

当数据包分片的时候，同一个包的分片数据包的此id是一样的。

标志(3)

此标志主要用在数据分片的地方。

共有3位的数据

第一位数据保留，暂时无用。

第二位如果是1 标识不允许分片，0 代表允许分片。(默认允许分片，也可以手动设置不允许分片)

第三位 如果是1 表示不是数据包分片的最后一个数据包，如果是0 表示已经是最后一个数据包了。

片偏移(13)

片偏移主要用来记录当前的分片数据包在整个数据包的偏移字节数。

当数据包被切分成多个数据包(fragment)后，在每个片数据包的头部记录自身数据包在原始数据包中的偏移值。

注意在存储的时候是用真实偏移 / 8 存储的，计算的时候需要乘以8

生存时间(8)

TTL (Time To Time)

在执行ping 命令的时候会发现有这么个值。

此值的含义是 有一个在发送命令之前给定一个初始值，每次经过一个路由器转发，TTL的值减去1，当TTL为0 的时候，返回超时错误。

TTL 的初始值跟操作系统有关

TTL 可以防止在路由器配置错误的时候的死循环。能够停止死循环传输。

协议(8)

表明了封装的数据适用了什么协议

​ 协议和值的对应关系

​ 通过抓包ping 的请求可以看到

首部校验和(15)

将首部的数据计算出来的一个值。校验数据的正确与否。

源IP地址(4)

发送方ip地址

目标IP地址(4)

发送目标的ip地址

数据分片传输

因为网络层整个数据包是作为数据链路层的 帧的数据部分，而数据链路层的帧的数据部分长度限制是1500字节，所以需要这里的总长度过大，超过了1500个字节，会将数据包拆成多个分包传输。

分成多个片的传输每个片都有自己的网络层首部。

  • 解析每个分片包的时候，通过标识确定那些段一个数据包
  • 通过offset 片偏移，确定数据的顺序
  • 通过是否最后一个片，确定数据包的结束标识

IPV6

IPV6(Internet Protocol version 6):网络协议第六版。

ipv4 的长度是32位的，而ipv6为了解决ip地址不足的问题，设计成了128位的。

ipv6格式

ipv6地址为 128bit，每16bit一组，共8组。每组以4位16进制方式表示。

例如 ： 2001:0db8:86a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

首部格式对比

从上图可以看出，ipv4的头部信息很多都做了删除，ipv6仅仅是多了一个Flow Label,其他的头部字段很多和ipv4 的作用相同。

ipv6的首部比ipv4更加的精简，性能也提高了需要。

  • version 版本号 (4bit)，表示ipv4 还是ipv6

  • Traffic Class 交通类别(8bit),指示数据包的类别和优先级，可以帮助路由器根据数据包的优先级处理流量。假如发生拥堵，那么低优先级的数据包将被丢弃。

  • payload length 有效负载长度(16bit), 包括拓展头部，上层(传输层) 数据的长度。

    payload length + 固定头部 = 整个数据包的大小

  • Hop Limit 跳数限制（8bit），和ipv4中的ttl相同。

  • Source Address（128bit），源ip地址

  • Destination Address (128bit),目标ip地址

  • Flow Label 流标签(20bit),用来指定数据包属于那个特定的序列（流），用数据包的源地址，目标地址，流标签来识别一个流。

  • Next Header 下一个头部(8bit),指示拓展头部的类型，上层数据包的协议类型。(TCP,UDP,ICMPv6 )

    规定了一些数据的类型。

假设整个数据包是有拓展头部的。

第一个NextHeader 的类型是 43 ，那么就知道 头部紧接着的拓展头部的类型是什么，并且占用多大的字节。

而没有拓展头部内部都有一个Next Header

找到第一个拓展头部的时候，通过这个拓展头部的Next Header 去获取下一个拓展头部的类型，如果有就接着解析，如果类型是 TCP ,UDP ,ICMPv6 ,那么就说明接下来的数据已经不是拓展头部了，是上层的数据，属于当前层的数据部分。

​ example1 是没有拓展头部，example2 是有一个拓展头部，接着就是tcp数据部分。具体的nextHeader 的值的类型可对照上面的表查看。

ipv6的优点

  • 更大的地址空间

  • 更高效的路由

    IPv6聚集减少了路由表条数，分层使路由更加高效。在IPv6网络中，数据包分片是由源节点而不是中间路由器来处理，提升了IPv6转发效率。

  • 更高效的数据包处理

    ipv6不包含ip级别的校验和，不用再每个路由节点计算校验和。

测试

查看数据包分片

1
ping  sina.com.cn

查看到响应IP，通过wireshark 抓取此ip的网络包

可以看到发送ping 的ICMP协议请求，并且是一个请求 一个响应。

增加数据包发送的大小,超过1500 ，触发数据包的分片

1
ping  sina.com.cn -l 2000

可以看到请求的时候分了2个包，响应的时候分了3个包。

并且可以看到 fragment offset 数据包的字节偏移。 flags 查看是否是最后一个数据包。

TTL 测试

1
ping  baidu.com

得到的TTL是 51，那么可以得到到百度的服务中转了14个左右的路由器。

TTL 的超时是由对应的路由器响应的。

所以:

1
ping -i 1 baidu.com

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ping -i 2 baidu.com

可以看到不同的ttl过期是由不同的路由器回复的。是一级一级进行响应的。

网络工具

  1. 查看ping支持的更多选择
1
ping /?
  1. tracert 命令

用来追踪请求链路

1
tracer baidu.com

  1. pathping 命令
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pathping baidu.com