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《TCP/IP详解》学习笔记(三):IP协议、ARP协议

把这三个协议放到一起学习是因为这三个协议处于同一层,ARP 协议用来找到目标主机的 Ethernet 网卡 Mac 地址,IP 则承载要发 送的消息。数据链路层可以从 ARP 得到数据的传送信息,而从 IP 得到要传输的数据信息。


IP 协议


IP 协议是 TCP/IP 协议的核心,所有的 TCP,UDP,IMCP,IGCP 的数据都以 IP 数据格式传输。要注意的是,IP 不是可靠的协议,这是 说,IP 协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制--这被认为是上层协议--TCP 或 UDP 要做的事情。所以这也就出现了 TCP 是一个可靠的协议,而 UDP 就没有那么可靠的区别。这是后话,暂且不提。

1IP 协议头


如图所示:

QQ20160319-2.png

挨个解释它是教科书的活计,我感兴趣的只是那八位的 TTL 字段,还记得这个字段是做什么的么?这个字段规定该数据包在穿过 多少个路由之后才会被抛弃 (这里就体现出来 IP 协议包的不可靠性,它不保证数据被送达),某个 ip 数据包每穿过一个路由器,该数 据包的 TTL 数值就会减少1,当该数据包的 TTL 成 为零,它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255,也就是说一个协议包也就 在路由器里面穿行255次就会被抛弃了,根据系统的不同,这个数字也不一 样,一般是32或者是64,Tracerouter 这个工具就是用这个 原理工作的,tranceroute 的-m 选项要求最大值是255,也就是因为这个 TTL 在 IP 协议里面只有8bit。

现在的 ip 版本号是4,所以也称作 IPv4。现在还有 IPv6,而且运用也越来越广泛了。

2IP 路由选择


当一个 IP 数据包准备好了的时候,IP 数据包(或者说是路由器)是如何将数据包送到目的地的呢?它是怎么选择一个合适的路 径来"送货"的呢?

最特殊的情况是目的主机和主机直连,那么主机根本不用寻找路由,直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的,这 就要靠 ARP 协议了,后面会讲到。稍微一般一点的情况是,主机通过若干个路由器(router)和目的主机连接。那么路由器就要通过 ip 包的信息来为 ip 包寻找到一 个合适的目标来进行传递,比如合适的主机,或者合适的路由。

路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个 IP 数据包:

  •  如果IP数据包的TTL(生命周期)以到,则该IP数据包就被抛弃。
  •  搜索路由表,优先搜索匹配主机,如果能找到和IP地址完全一致的目标主机,则将该包发向目标主机
  •  搜索路由表,如果匹配主机失败,则匹配同子网的路由器,这需要“子网掩码(1.3.)”的协助。如果找到路由器,则将该包
  • 发向路由器。
  •  搜索路由表,如果匹配同子网路由器失败,则匹配同网号(第一章有讲解)路由器,如果找到路由器,则将该包发向路由器。  搜索陆游表,如果以上都失败了,就搜索默认路由,如果默认路由存在,则发包
  •  如果都失败了,就丢掉这个包。

这再一次证明了,ip 包是不可靠的。因为它不保证送达。

3子网寻址


IP 地址的定义是网络号+主机号。但是现在所有的主机都要求子网编址,也就是说,把主机号在细分成子网号+主机号。最终一个IP 地址就成为 网络号码+子网号+主机号。例如一个 B 类地址:210.30.109.134。一般情况下,这个 IP 地址的红色部分就是网络号, 而蓝色部分就是子网号,绿色部分就是主机号。至于有多少位代表子网号这个问题上,这没有一个硬性的规定,取而代之的则是子网 掩码, 校园网相信大多数人都用过,在校园网的设定里面有一个255.255.255.0的东西,这就是子网掩码。子网掩码是由32bit 的二进 制数字序列,形式 为是一连串的1和一连串的0,例如:255.255.255.0(二进制就是11111111.11111111.11111111.00000000) 对于刚才 的那个 B 类地址,因为210.30是网络号,那么后面的109.134就是子网号和主机号的组合,又因为子网掩码只有后八 bit 为0,所以主 机号 就是 IP 地址的后八个 bit,就是134,而剩下的就是子网号码--109。

ARP 协议


还记得数据链路层的以太网的协议中,每一个数据包都有一个 MAC 地址头么?我们知道每一块以太网卡都有一个 MAC 地址,这个 地址是唯一的,那么 IP 包是如何知道这个 MAC 地址的?这就是 ARP 协议的工作。

ARP(地址解析)协议是一种解析协议,本来主机是完全不知道这个 IP 对应的是哪个主机的哪个接口,当主机要发送一个 IP 包的 时候,会首先查一下自 己的 ARP 高速缓存(就是一个 IP-MAC 地址对应表缓存),如果查询的 IP-MAC 值对不存在,那么主机就向网络 发送一个 ARP 协议广播包,这个广播包 里面就有待查询的 IP 地址,而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的 IP 地址,如 果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件,那么就准备好一个包 含自己的 MAC 地址的 ARP 包传送给发送 ARP 广播的主机,而广播 主机拿到 ARP 包后会更新自己的 ARP 缓存(就是存放 IP-MAC 对应表的地方)。发送 广播的主机就会用新的 ARP 缓存数据准备好数据链 路层的的数据包发送工作。

一个典型的 arp 缓存信息如下,在任意一个系统里面用“arp -a”命令:

QQ20160319-3.png

都会得到这样的结果。这样的高速缓存是有时限的,一般是20分钟(伯克利系统的衍生系统)。

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标签:TCPIP详解
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