【Linux后端服务器开发】IP协议

目录

一、IP协议概述

二、协议头格式

三、网段划分

四、IP地址的数量限制

五、路由

六、分片和组装

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一、IP协议概述

主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备

路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制

节点：主机和路由器的总称

IP：将数据从A主机跨网络传输到B主机的能力，IP = 目标网络 + 目标主机

路径选择中，目标IP决定了我们的路径该怎么走（先确定目标网络，再确定目标主机）

二、协议头格式

• 4位版本号：version，指定IP协议的版本，对于IPv4来说就是4
• 4位首部长度：header length，IP头部的长度是多少个32bit，也就是length * 4字节数
• 8位服务类型：Type of Service，3位优先权字段(已放弃)，4位TOS字段，1位保留字字段(0)。4位TOS字段分别表示最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本，这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要，对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要
• 16位总长度：total length，IP数据报整体占多少个字节
• 16位标识：id，唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层被分开了，那么每一片里面这个id都是相同的
• 3位标志字段：第一个保留，第二个位置置1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文，第三个位置表示“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置1，其他都是0，类似一个结束标志
• 13位片偏移：framegament offset，是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原始报文中的哪个位置，实际偏移的字节数是这个值*8得到的，因此除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）
• 8位生存时间：Time To Live，TTL，数据报到达目的地的最大报文跳跃次数，一般是64，每经过一次路由，TTL -= 1，一直减到0还没有到达就丢弃了，这个字段主要防止出现路由循环
• 8位协议：表示上层协议的类型
• 16位头部检验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏
• 32位源地址和32位目的地址：表示发送端和接收端IP地址
• 选项字段：不定长，最多40字节

如何将报头和有效载荷分离？4位首部长度，基本单位是4字节，标准长度是20字节，首部长度范围[20, 60]，标准长度的4位首部长度 0101，通过16位总长度减去4位首部长度，即可得到数据内容，即可进行报头和有效载荷的分离。

三、网段划分

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识
• 主机号：同一网段内，主机之间具有相互的网络号，但是必须有不同的主机号

• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
• 如果在子网中新增一台主机，则这个主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号不能和子网中的其他主机重复

通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。

那么问题来了，手动管理子网中的IP，是一个相当麻烦的事情，怎么解决呢？有一种技术叫做DHCP，能够自动给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看做一个DHCP服务器。

过去曾经提出过一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类，如下图TCPIP： 

• A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
• B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
• C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
• D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
• E类：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。

针对以上情况提出的新的划分方案，称为CIDR（Classless Interdomain Routing）：

• 引入了一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号
• 子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串“0”来结尾
• 将IP地址和子网掩码“按位与”操作，得到的结果就是网络号
• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关

一般在一个子网中，管理子网中IP的设备是路由器，目标网络、子网掩码、子网中的主机都是由路由器管理的，目标网络和子网掩码是在路由器内配置的。

四、IP地址的数量限制

我们知道，IP地址（IPv4）是一个4字节32位的正整数，那么一共只有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。

这意味着，一共只有43亿台主机接入网络吗？

实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量远远不足43亿，另外IP地址并非是按照主机台数来划分的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址。

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题（提高了利用率，减少了浪费，但是IP地址的绝对上限并没有增加），仍然是不够用，这时候有三种方案提出：

• 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址，一次同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的
• IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版，这是两个互不相干的协议，彼此并不兼容，IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，但是目前IPv6并未普及
• NAT技术：内网IP切公网IP

私网IP和公网IP

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址。

• 10.* ，前8位是网络号，共 16 777 216 个地址
• 172.16.* ~ 172.31.* ，前12位是网络号，共 1 048 576 个地址
• 192.168.* ~ 192.168.* ，前16位是网络号，共 65 536 个地址
• 包含在这些范围内的都是私网IP，其它的则称为全局IP（公网IP）

特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设置为0，就成为了网络号，代表这个局域网 
• 将IP地址中的主机地址全部设置为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中的互相连接的所有主机发送数据包
• 127.* 的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1

五、路由

路由：在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

• 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)
• 路由器LAN口连接的主机，从属于这个路由器的子网中
• 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)，子网中的主机IP不能重复，但是子网之间的主机IP可以重复了
• 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN接口就是公网IP了
• 子网内的主机需要和外网进行通行时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址称为一个公网IP，这样的技术就是NAT（Network Address Translation， 网络地址转换）

如果希望我们自己实现的服务器能够在公网上能访问到，就需要把程序部署在具有外网IP的服务器上，这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上面访问到。

路由的过程，就是这样“一跳一跳”(Hop by Hop)“问路”的过程，所谓的“一跳”就是数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

路由在问路的过程中，会先询问“目标网络”的地址，到达“目标网络”之后，再询问目标“目标主机”的地址。

IP数据包的传输过程也一样，当IP数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的IP，路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机还是发送给下一个路由器，依次反复直到发送给目的IP地址。

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表。

• 路由表可以用route命令查看
• 如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可
• 路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址

假设某主机的网络接口配置和路由表如下：

• 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24，另一个网络接口连到192.168.56.0/24这个网络
• 路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳地址，Iface是发送地址，Flags中的U标志表示此条目有效，G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机直接向量的网络，不用经过路由器转发

转发示例1：要发送数据的目的地址是192.168.56.3

• 跟第一行的子网掩码做运算得到192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符
• 再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，正是第二行的目的网路地址，因此从eth1接口发送过去
• 由于192.168.56/24正是与eth1接口直接相连的网络，因此可以直接发送到目的主机，不需要经过路由器转发

转发示例2：要发送的数据的目的地址是202.10.1.2

• 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配
• 按缺省路由条目，从eth0接口发出去，发往192.168.10.1路由器
• 由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址

六、分片和组装

数据在网络中是以MAC帧的格式进行传输，每个MAC帧的最大长度是1500字节，故长度大于1500字节的数据报需要进行分片发送，到达目的地址之后再进行组装。

• 如何判断一个报文是否被分片了？通过3位标志进行判断，如果某个报文存在3位标志的更多分片标志为1的分片，则这个报文被分片了。
• 同一个报文的分片如何识别？通过16位标识识别，同一个报文的不同分片，它们的16位标识是一样的。
• 哪一个分片是第一个？哪一个分片是最后一个？通过3位标志和13位片偏移判断，如果3位标志的更多分片标志为1且13位片偏移为0，则是第一个分片，如果3位标志的更多分片标志为0且13位片偏移不为0，则是最后一个分片。
• 如何判断分片有没有全部被接收？当前的起始位置 + 自身长度 = 下一个报文中填充的偏移量大小，通过这个进行判断接收到的分片有没有缺失。
• 如何对接收到的全部分片进行组装？按照片偏移量对分片进行升序排序即可。

分片好吗？分片并不好，分片越多数据丢失的几率就越大，丢失一个报文就需要重新发送全部报文，故分片并不是在通信时的主流情况。