计算机网络<七>——网络层以及UDP协议

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网络层首部

  • 网络层数据包（IP数据包，Packet）由首部、数据2部分组成
  • 数据：很多时候是由传输层传递下来的数据段

网络包的首部至少有20个字节，因为首部还包含可变部分

版本、首部长度、区分服务

  1. 版本（占4个bit）
  • ob0100：IPv4
  • ob0110：IPv6
  1. 首部长度（占4个bite）
  • 二进制乘以4才是最终长度
  • obo101：20（最小值）
  • ob1111：60（最大值），也就代表着可变部分最多40个字节
  1. 区分服务（占8个bit）
  • 可以用于提高网络的服务质量
  • 这个字段上如果有特殊的信息，路由器会先帮你进行转发从而提高通信速度

总长度

  • 占2个字节
  • 表示数据包首部+数据的长度之和，最大值是65535（8个二进制全为1）
  • 也就是说数据包的最大长度就是65535个字节

  • 由于数据链路层对应的数据帧的长度不能超过1500字节，所以过大的IP数据包，需要分成片传输给数据链路层，而且每一片都有自己的网络层首部（这个拆分工作是由网络层来完成的 ）

标识、标志

  1. 标识（占16位bit，2个字节）
  • 数据包的ID，当数据包过大进行分片时，同一个数据包的所有片的表示都是一样的
  • 有一个计数器专门管理数据包的ID，每发出一个数据包，ID就加1
  1. 标志（占3位bit）

  • 第一位bit：保留位

  • 第二位(Dont Fragment)：1表示不允许分片，0表示允许分片

    • 如果第二位为1，则接受方的网络层不会等待其它数据片

  • 第三位(More Fragments)：1代表不是最后一片，0代表是最后一片

    • 第三位为0就代表着该数据片是最后一片，不需要再等待下一个数据片了

片偏移

  • 占13位
  • 片偏移乘以8：字节偏移，当然有时候也可能直接就显示字节偏移
  • 每一片的长度一定是8的整数倍
  • 接收方就是通过片偏移来将多个数据片排序，最终合在一起的

  • 片偏移的长度表示的是数据的长度（不包含头部）

比如上幅图中，第一个数据包片的字节偏移是0，代表该数据片前面没有其它的数据片

  • 第一个数据包片的片偏移是175，字节偏移是1400，代表有1400个字节（数据的长度，不包含首部）在该数据片的前面
  • 第三个数据包片的片偏移是350，字节偏移是2800，因为前面有两个数据长度为1400的片

ping的几个用法

  • ping /? ：查看ping的用法

  • ping ip地址 -l 数据包大小：发送指定大小的数据包

  • ping ip地址 -f：不允许网络层分片

    • 如果你指定的网络数据包太大，又不允许它分片，是发不过去的
  • ping ip地址 -i TTL：设置TTL的值
  • 通过tracert、pathping命令，可以跟踪数据包经过了哪些路由器

下图是执行了ping ke.qq.com -l 4000后，每一片头部的相关信息

协议、首部校验和

  1. 协议
  • 占8个bit，1个字节
  • 表明封装的数据（除去首部）使用的是什么协议

  1. 首部校验和
  • 跟数据链路层的FCS很像，其是用首部的数据计算出一个数据用于检查首部是否出错

源IP地址、目标IP地址

就是我们起始设备的IP地址和目标设备的IP地址

生存时间（TTL—Time To Live）

  • 占8个bit，1个字节
  • 每个路由器在转发之前会将TTL减1，一旦发现TTL减为0，该路由器就会返回错误报告
  • 由不同操作系统发出的数据包首部默认的TTL是不一样的，而且一次通信最多也就经过几十个路由器，所以我们可以根据TTL的值推测出对方的操作系统以及通信过程中经过了多少个路由器

生存时间到底有什么用呢？

比如说一个数据包的传输必须要经过两台路由器，但是这两台路由器的配置有错误，路由器1的默认路由是路由器2，路由器2的默认路由是路由器1，这样数据包就会来回在它们两个之间传递，TTL的出现可以在他们传递到一定次数时终止传输

注意：如果因为TTL不够了而通信错误，则这个错误信息是由TTL减为0的那个路由器对应的网关返回的，如下图中，由下图中返回数据包的IP地址为192.168.3.1可知

借助上面这种特性，我们可以固定一个目标IP地址，然后让它的TTL依次增加直到通信成功为止，这样我们就可以知道在整个通信过程中所经过所有路由器网关的IP地址了，当然我们也可以使用tracert、pathping命令去追踪数据包经过了哪些路由器

补充

有些协议不需要从应用层一层一层传递到物理层，部分协议只有两层或者三层，比如工作在数据链路层的协议（CSMA/CD协议和PPP协议），工作在网络层的协议（ARP、IP、ICMP）这三个协议是直接工作在网络层的，所以其不需要网络层和应用层，如下图所示：

传输层

传输层中有两个协议：

  • TCP（Transmission Control Protocol），传输控制协议
  • UDP（User Datagram Protocol），用户数据报协议

TCP和UDP的区别：

  1. 连接性
  • TCP需要通过三次握手建立连接，确认连接后相当于中间有个隐形的管道，而且一旦数据请求结束之后，我们还需要断开这个连接，要不然服务端会一直占用一个端口进行监听
  • UDP不需要建立连接，其是将数据直接传输过去
  1. 可靠性
  • TCP是可靠传输，不会丢包，如果在传输过程中包有损坏或者丢失，那么数据包会重新发送
  • UDP是会丢包的，如果在传输过程中包有损失，其不会重新发送
  1. 首部占用空间
  • 每一个协议都会有个首部，因为TCP要能够保证可靠传输和面向连接，所以其首部肯定是十分复杂的
  • UDP相当于是直接将数据扔过去，头部不需要有太多的信息，所以首部占用空间肯定比较小
  1. 传输速率
  • 由于TCP要保证可靠传输，所以其传输速率较UDP协议慢一些
  1. 资源连接
  • 因为TCP要面向连接，其资源消耗肯定是比较大的
  1. 应用场景

  • 浏览器、文件传输、邮件发送这种我们希望得到的数据是完整的展示给用户的，那肯定用的是TCP协议

  • 一些实时通信的场景肯定是需要用UDP的，一方面是因为它传输速率比较快一点，另一方面是怕产生不必要的误会

    • 比如说你现在说了一句话，但由于当前网络比较差导致丢包了，如果使用的是TCP协议，由于其可靠传输的特性，一段时间后又会把这句话发过去，这样就造成了别人听到的和你说的不在同一个时刻，十分混乱
  1. 应用层协议
  • 如果传输层使用的协议是TCP的话，那么对应的应用层使用的协议只可能是HTTP、HTTPS、FTP、SMTP、DNS
  • 如果传输层使用的协议是UDP的话，那么对应的应用层协议只能是DNS

UDP-数据格式

  • UDP是无连接的，减少了建立和释放连接的开销

  • UDP尽最大能力交付，不保证可靠交付

    • 因此不需要维护一些复杂的参数，首部只有8个字节（TCP的首部至少20个字节）

UDP长度

占16为bit，2个字节，该长度代表的是首部的长度 + 数据的长度也就是总长度

UDP检验和

  • 检验和的计算内容：伪首部 + 首部 + 数据

    • 伪首部：仅在计算检验和时起作用，并不会传递给网络层；这是协议栈规定的，为了增强我们的检验功能，其固定是12个字节（源IP地址、目标IP地址、默认单个字节0，协议编号（UDP对应的是17）、UDP长度）

端口

  • UDP首部中端口字段占用2个字节
    • 可以推测出端口号的取值范围是：0 ~ 65535
  • 客户端的源端口是临时开启的随机端口
  • 防火墙可以设置开启/关闭某些端口来提高安全性

服务器会有一些默认端口号，如果是HTTP协议的请求，一般用的是80端口；如果是HTTPS的请求，一般用的是443端口；客户端发过来的MYSQL请求一般是用3306端口进行监听的，比如说通过一些sql语句去数据中查询一些内容。但是一般来说，我们服务器的数据库是不允许客户端直接访问的，因为这非常不安全，万一别人通过一些暴力的手段进入到了数据库中，你存储的数据不就暴露了吗？所以我们一般是客户端发送一个HTTP请求到服务端软件，然后服务器软件再去访问自己服务器上的MYSQL服务。所以为了安全起见，我们会用一个防火墙规定3306端口的TCP请求不允许进入

常用命令行

  • netstat -an：查看被占用的端口

  • netstat -anb：查看被占用的端口、占用端口的应用程序

  • telnet 主机 端口：查看是否可以访问主机的某个端口

    • 安装telnet：控制面板——程序——启用或关闭Windows功能——勾选“Talent Client”——确定
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