ネットワーク層の 5 つのコア知識ポイント

導入

前回の記事では、UDP であっても TCP であっても、実際には TCP/IP モデルの「トランスポート層」を紹介しています。データはトランスポート層で対応するカプセル化を完了した後、ネットワーク層に到達することがわかっています。データ転送、では、データはネットワーク層でどのような不思議な力を受けるのでしょうか? さあ、ネットワーク層の謎を解き明かしましょう！

1.アドレス管理

1.IPアドレス

IP 地址(インターネットプロトコルアドレス) は、インターネットプロトコルアドレスを指します。IP アドレスは 32 ビットの 2 進数で、通常は「ドット 10 進数」形式、つまり abcd の形式で表されます (a、b、c、および d はすべて 0 ～ 255 の 10 進整数です)。例: 192.168.1.36

2.MACアドレス

MAC 地址、つまりメディアアクセスコントロールアドレス。ネットワークデバイスのハードウェア物理アドレスを識別するために使用されます。ホストには 1 つ以上のネットワークカードがあり、ルータには 2 つ以上のネットワークカードがあり、各ネットワークカードは一意の MAC アドレスを持ちます。長さは 48 ビット 6 バイトです。通常は 16 進数とコロンの形式で表されます (例: 08:00:27:03:fb:19)。

特別な MAC アドレス: ブロードキャストデータグラムの MAC アドレスは次のとおりです: FF:FF:FF:FF:FF:FF (注: ブロードキャストデータグラムとは、同じネットワークセグメント上のすべてのホストにブロードキャストデータグラムを送信することを意味します)。

2. サブネット分割

具体的な分割プロセスは次のとおりです (出典: Changchee):

ここでは 2 つの概念を紹介します。

1. IP アドレスとサブネットマスクに対して「ビットごとの AND」演算を実行します (バイナリビットが同じで、演算では両方とも 1、結果は 1、それ以外の場合は 0)。その結果がネットワーク番号になります。
2. サブネットマスクバイナリをビット単位で反転し、IP アドレスとのビット単位の AND を計算します。その結果がホスト番号になります。

同時に网络号、と主机号も IP アドレスの 2 つの重要なコンポーネントです。ネットワーク番号はネットワークセグメント (LAN) を識別するために使用され、ホスト番号は LAN 内のホストを識別するために使用されます。

ここで使用されている方法に加えて子网掩码、IP アドレスを次の 5 つのカテゴリに分類する古い方法もあります。

注: この「大まかな」分割方法には、IP アドレスが無駄になるという問題があります。たとえば、クラス A およびクラス B のアドレスでは、ホスト番号の長さが長すぎるため、実際のネットワーク設定では、接続されるホストの数が最大ホスト数よりはるかに少ないことがよくあり、その結果、大量の IP が無駄になります。アドレス。

3. 特別なIPアドレス

IP アドレス内のすべてのホストアドレスを 0 に設定します。これが、この LAN を表すネットワーク番号になります。

IP アドレスのすべてのホストアドレスを 1 に設定すると、同じリンク上で相互に接続されているすべてのホストにデータパケットを送信するために使用されるブロードキャストアドレスになります。このとき、このアドレスに UDP データパケットを送信する場合は、 IP アドレス、このデータパケットは LAN 全体のすべてのホストに転送されます ( TCP はブロードキャストをサポートしません)。

IP アドレス 127.* は、通常、ローカルループバックテストに使用されます127.0.0.1。

ホスト番号は1です。192.168.0.1通常のゲートウェイIPとして

注: TCP/IP プロトコルでは、異なるサブネット間で直接通信することはできないと規定されているため、通信する場合は「」で転送する必要があります网关。通常、ルーターは「ゲートウェイ」の役割を果たします。

4. IPアドレス不足問題の解決

IP アドレスは 32 ビットの 2 進数であるため、IP アドレスの最大数は $2^{32}です。$ 乗は約 42 億 9 千万人で、世界の人口は 80 億人に近づきます。IPV4 は 2019 年 11 月 25 日に正式に割り当てられました。IP アドレス不足の問題を解決するには、現在次の解決策があります。

1. IP アドレスを動的に割り当てる

IP アドレスは、デバイスがインターネットに接続されている場合にのみ割り当てられ、インターネットに接続されていない場合には割り当てられません。この解決策は、根本的な原因ではなく症状に対処するものであり、IP 数を増やすものではないため、ある程度の問題は解決できますが、IP アドレス不足の問題を完全に解決することはできません。

2.NATの仕組み

NAT テクノロジーは現在、IP アドレス不足の問題を解決する主な手段であり、ルーターの重要な機能です。NAT テクノロジーについて説明する前に、まず次の 3 つの概念を理解します。

イントラネット (LAN) IP: 10.*、172.16.*-172.31.*、192.168.*

外部ネットワーク IP: 内部ネットワーク IP を除く、残りの IP アドレスはすべて外部ネットワーク IP です。

グローバル IP は一意である必要がありますが、プライベート (イントラネット) IP は必要ありません。異なる LAN に同じプライベート IP が存在しても、まったく影響はありません。

NAT は、外部と通信するときにプライベート IP をグローバル IP に変換できます。つまり、プライベート IP とグローバル IP を相互に変換する技術的な方法であり、変換中に同じ LAN に同じグローバル IP が割り当てられます。つまり、この時点のグローバル IP は、現在のネットワーク内のすべてのネットワークデバイスを表すことになります。 LAN。次の図は、IP 変換プロセスを示しています。

LAN 内に複数のホストが同じ外部サーバーにアクセスしている場合、サーバーから返されるデータの宛先 IP は同じになります。では、NAT ルーターは、このデータパケットをどの LAN ホストに転送するかをどのように決定するのでしょうか? 現時点では、NAPT は IP+ポートを使用してこの関連付けを確立することで、この問題を解決できます。

3.IPv6を使用する

IPV4 は、4 バイト、32 ビットを使用して IP アドレスを表します。IPV6 は IP アドレスを表すのに 16 バイトと 128 ビットを使用します。単純に計算すると、2^32*2^32*2^32*2^32この数は非常に膨大で、世界中のすべての砂粒に IP アドレスを割り当てるのに十分すぎるほどです。

ただし、現時点では、IPV6 と IPV4 プロトコルには互換性がありません。IPV6 を使用するには、ハードウェアのアップグレードが必要であり、コストがかかります。また、NAT テクノロジの使用により、IPV4 のジレンマが大幅に軽減されたため、IPV6 はまだ準備段階にあり、まだ実現されていません。使用されています。有効にします。

5. ルーティングの選択

ネットワークデータ送信の場合、データは想像されているように送信元ホストから宛先ホストに直接送信されるわけではありませんが、マップ内の A から B へのプロセスと同様です。

IP アドレスは、ルート全体の開始点と終了点を表します。また、移動も場所から場所へと進む必要があり、道路上の各区間の始点と終点はMACアドレスで記述されます。

ネットワーク上で IP データグラムを転送するプロセスは、上記の状況と似ています。これは、徐々に方向を尋ねるプロセスです。各ルータは周囲の状況だけを知っており、宛先 IP の位置を知らない可能性があります。このとき、ルータは、パス (ルーティングテーブルの「次の」エントリ) を指定し、データグラムを上位のルーターに送り、上記のプロセスを繰り返すことで、徐々にターゲットに近づき、最終的にデータグラムの転送が実現されます。。

実際、「ネクストホップ」アドレス指定のプロセスでは、重要なプロトコルである ARP プロトコルも使用されます。

ARP はデータリンク層とネットワーク層の間のプロトコルであり、IP アドレスと MAC アドレス間のマッピング関係を確立します。

データリンク層で、ネクストホップデバイスの MAC アドレスを見つけるプロセスは、ARP アドレッシングと呼ばれます。

具体的なアドレス指定プロセスは次のとおりです。

ARP キャッシュテーブルはホストとルーターの両方に保存されます。対応する MAC アドレスは IP アドレスを通じて見つけることができます。

ネクストホップデバイスの IP アドレスに従って、対応する MAC アドレスが ARP キャッシュテーブルで見つかると、宛先 MAC を設定してデータグラムを送信できます。

見つからない場合は、ARP ブロードキャストデータグラムが送信されます。宛先 MAC はブロードキャストアドレスであり、ネクストホップデバイスは MAC アドレスを要求されます。