【网络】网络层（IP协议）

目录

一、基本概念

二、协议头格式

三、网段划分

四、特殊的IP地址

五、IP地址的数量限制

六、私有IP地址和公网IP地址

七、路由

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一、基本概念

•  IP协议：提供一种能力， 将数据从A主机送到B主机，（TCP协议：确保IP协议把数据送到了B主机）。
•  IP地址：目标网络 + 目标主机。
•  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：主机和路由器的统称。

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位头部长度(header length)：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
•  8位服务类型(Type Of Service)：3位优先权字段(已经弃用)，4位TOS字段，和1位保留字段(必须置为0)。4位TOS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片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
•  3位标志字段：第一位保留(保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到)。第二位置为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。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为 0 ，其他是 1 。类似于一个结束标记。
•  13位分片偏移(framegament offset)：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。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数。一般是64。每次经过一个路由，TTL-= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
•  8位协议：表示上层协议的类型。
• 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
•  32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
•  选项字段(不定长，最多40字节)

 在网络中，报文要在满足不大于数据链路层MTU的前提下，尽量不要分片。 因为过多的分片容易增加丢包率，而分片丢失，传输层就认为整个报文丢失了。所以就需要让TCP协议发送的数据不要过大，单个报文有效数据的大小不超过 MTU - TCP协议报头大小 - IP协议报头大小，称为MSS（最大段尺寸）。这也是TCP滑动窗口中要把窗口范围内的数据拆成多份发送的原因。

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，主机之间具有相同的网络号，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到一起。
•  如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致。但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。
•  子网是由路由器构建的，路由器一般都是一个子网中的第一台主机，因此主机标识是1。

 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，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情。

•  有一种技术叫做DHCP，能够自动的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，如下图所示(该图出 自[TCPIP])。

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

 随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，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。

•  例如，申请了一个B类地址，理论上一个子网内能允许6万5千多个主机。A类地址的子网内的主机数更多。
•  然而实际网络架设中，不会存在一个子网内有这么多的情况。因此大量的IP地址都被浪费掉了。

 针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)：

• 引入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地址和子网掩码进行 "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。

 可见，IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号，主机号从全0到全1就是子网的地址范围。

 IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0

四、特殊的IP地址

•  将IP地址中的主机地址全部设为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为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互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、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43亿台主机能接入网络么？

 实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量远不足43亿。另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，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)，仍然不是很够用。这时候有三种方式来解决：

•  动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址。因此同一个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。
•  NAT技术
•  IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版。这是互不相干的两个协议，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还没有普及。

六、私有IP地址和公网IP地址

 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RFC 1918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.到172.31.，前12位是网络号，共1,048,576个地址。
• 192.168.*，前16位是网络号，共65,536个地址。
• 包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP(或公网IP)。

•  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，都从属于当前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)。子网内的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复了。
•  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口IP就是一个公网IP了。
•  子网内的主机需要和外网进行通信时，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地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。
•  因为子网的私有IP在向上传递的过程中不断经历着向WAN口IP转换的过程，因此就可以在内网中把LAN口IP设置成IPV6，WAN口继续使用IPV4了。
•  如果希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上。这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买。

七、路由

 在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。路由的过程，就是一跳一跳(Hop by Hop) "问路" 的过程。

 所谓 "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。

 IP数据包的传输过程和问路一样。

• 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，还是需要发送给下一个路由器。
• 依次反复，一直到达目标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。

•  路由表可以使用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。

假设某主机上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网络，另一个网络接口连到192.168.56.0/24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是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些 条目)，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接口直接相连的网络，不必经路由器转发。

转发过程例1：如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3。

•  跟第一行的子网掩码做与运算得 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络地址，因此从eth1接口发送出去。
•  由于192.168.56.0/24正 是与eth1 接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机，不需要经路由器转发。

转发过程例2：如果要发送的数据包的目的地址是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