Linux-网络层IP协议、链路层以太网协议解析

网络层：

网络层：负责地址管理与路由选择 — IP协议，地址管理，路由选择

IP协议

数据格式：
4位协议版本：4-ipv4协议版本
4位首部长度：以4字节为单位
8位服务类型：3位优先权弃用，4位TOS，1位固定为0
16位数据报长度：IP报文最大大小64k；udp报文中数据最大大小 < 64k-28
16位分片标识：udp报文大小大于MTU但是小于64k-18，则会在网络层进行数据分片，将一个完整的大的报文分割成为多个小的数据分片，封装IP报头进行传输；TCP的传输不会再网络层进行数据分片，tcp再三次握手阶段就会双方协商mss（最大数据段大小）网络通信时，数据大小都不会大于mss，而mss就是根据mtu计算出的最合适的数据传输大小。
16位分片标识：标识当前分片属于哪个报文
3位分片标志：1位保留，1位禁止分片
13位分片偏移：多个数据分片在对端会进行分片重组，而分片偏移就是用于标识当前分片再原始报文中的位置（相对于起始位置的偏移量）。13个比特位最大数字：8192，无法在64k报文中标识偏移量，因此分片偏移是以8字节为单位的。
8位TTL：报文生存周期 – 当前默认是64/128，每经过一次路由转发就会-1，为0时，则将数据丢弃。
8位上层协议：当前数据所使用协议 – 用于数据分用时选择解析协议
16位校验和：校验数据一致性
32位源端-对端IP地址：描述通信两端主机
0~40的选项数据：保存一些路由信息…
-

地址管理

地址管理：
IP地址的管理是按照网络进行管理的（大的网络也是由许多小网络组成）
IP地址组成：192.168.2.13
网络号：是一个网络的标识，一个网络中分配的地址都拥有相同的标识
只要保证每个网络的网络好不同，则每个网络分配的IP地址不会冲突
主机号：在一个网络内主机的标识
网段的划分：
A:高1位固定为0，7位网络号，24位主机号
A类网络，网络号范围：0~127；每个网络拥有256256256个主机
B:高2位固定10，14位网络号，16位主机号
B类网络，网络号范围128.0~191.255
C:高3位固定110，21位网络好，8位主机号
C类网络，网络号范围192.0.0~223.255.255；每个网络拥有256主机
当前划分-CIDR：在早期基础上，使用子网掩码进行更细致的网络划分
子网掩码：无符号4字节整数，必须由连续的二进制1组成
1.子网掩码取反可以得到一个网络最大的主机号
最大主机号+1就是子网中的主机号个数
192.168.2 子网掩码：255.255.255.240，取反后前三个为0，最后一个00001111，为15，因此在该网络中能分配的IP范围是192.168.2.0~192.168.2.15
2.子网掩码与IP地址相与，可以得到网络号。与相邻网络的子网掩码逐个相与判断当前目标地址属于哪个网络
举例：有一个公司，申请了一个C类网络号1992.58.45.0，公司由四个部分，需要将这个C类网络平均划分为四个子网，请问如何划分，每个子网的子网掩码是多少，IP地址分配范围是多少，网络号是多少？
解答：这是C类网络，拥有256个主机号，平均划分四个子网，则每个子网拥有64个主机号，0~63，子网掩码是63取反，得到子网掩码：255.255.255.192
即四个子网为：
192.58.45.0~192.58.45.63；255.255.255.192；192.58.45.0
192.58.45.64~192.58.45.127；255.255.255.192；192.58.45.64
192.58.45.128~192.58.45.191；255.255.255.192；192.58.45.238
192.58.45.192~192.58.45.255；255.255.255.192；192.58.45.192

特殊的IP地址：
0.0.0.0 – 可被识别为本机任意网卡IP地址 - 常用于服务器绑定监听地址
255.255.255.255 – 全网广播地址
127.0.0.1：每个主机的虚拟回环网卡的地址 – 进行本地网络回环测试
主机号全为0的IP地址：就是网络号 – 不能分配给某个主机
主机号全为1的IP地址：UDP局域网广播地址 — 不能分配给某个主机
一个网络内所能分配的主机号个数是总的个数-2

公网与私网：外网与内网
公网/外网：通常是我们所说的互联网
私网/内网：一个组织所建立的内部私有网络（无法直接与外部通信）
私网内部的主机，如果仅是私网内部通信，则没有什么特殊的
如果私网内部主机想要向外通信，最终实际上使用的是私网对外的这个公网网卡进行的。
私网内的多个主机对外通信，都是用的是同一私网对外的IP地址，因此组建私网可以节省大量的公网IP地址
主要因为不同的私网可以使用相同的私网IP地址而不冲突，因为私网内部主机对外通信时使用的是不同的对外公网IP
组建私网的IP地址与公网中的IP地址不能重复：组建私网的IP地址是有固定地址的，这些地址不会再公网中被使用：10.*.*.*：大型私网；172.16.*.*~172.31.*.*：中型私网；192.168.*.*：小型私网

路由选择

路由选择：在复杂的网络环境中为每一条数据选择合适的路径进行转发
路由表：每个路由器上都会拥有的一个信息
Destination:目标网络号
Gateway：网关地址
Genmask：子网掩码
Iface：连接这个网络的网卡

链路层

链路层：负责相邻设备之间的数据传输
以太网协议：ehternet
协议格式：
48位源端-对端mac地址：识别指定相邻设备
mac地址：uint8_t mac[6] – 网卡的物理硬件地址–出厂时设定
16位协议类型：用于数据分用时上层解析协议的选择
32位数据帧尾：校验和进行差错校验

如何获取相邻指定设备的MAC地址：ARP协议
ARP协议：介于网络层和链路层之间的协议–通过IP地址获取MAC地址
在局域网广播ARP请求（smac+sip+0+dip）（以太网帧中的对端MAC地址全为1–广播地址）
相邻设备收到ARP请求后，检测目的IP地址是否与自己符合，不符合则直接丢弃，符合则组织ARP应答，将自己MAC地址填充进行回复。
两端都会将MAC-IP的映射关系保存一段时间（20~30分钟）

MTU：链路层限制的最大传输单元 - 以太网默认1500字节
MSS-最大数据段大小 = MTU - IP最小报头长度 - TCP最小报头长度
TCP：MTU=1500;则MSS=1460
UDP；MTU=1500;则MSS=1472
MTU对TCP传输的影响：
TCP传输三次握手阶段会协商MSS，双方取较小的乙方的mss作为最大数据段大小进行传输，每次从发送缓冲区中取出不大于mss大小的数据封装报头进行传输。 因此我们说，tcp在传输层会自定进行数据分段，因此不会再网络层进行数据分片
MTU对于UDP传输的影响：
UDP可没有MSS协商，只要数据段大小小于64k-28就可以传输，但是若大于MTU大小，则会在网络层会进行数据分片，而分片在对端会进行分片重组，一旦一个分区出问题整个报文都会被丢弃（udp不保证可靠传输，丢弃就没了），因此，分片越多，传输出问题的几率就越高。因此使用UDP传输，程序员最好在上层分包时就计算MSS大小分包，尽量减少分片概率。