【网络】网络层协议——IP

网络层

在复杂的网络环境中确定一个合法的路径。

IP协议

IP协议作为整个TCP/IP中至关重要的协议，主要负责将数据包发送给最终的目标计算机。因此，IP能够让世界上任何两天计算机之间进行通信。

网络层IP：让主机具备一种能力，将数据从A主机送到B主机的能力！"实现终端节点之前的通信"这种终端节点之间的通信也叫 “点对点(end-to-end)通信”。

网络层提供的是：将数据从A主机跨网络送到B主机。TCP用来保证可靠传输。

IP基础知识

IP大致分为三大作用模块，分别是IP寻址，路由(最终节点为止的转发)以及IP分包与组包。

IP地址

在计算机通信中，IP地址是用于在"连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址"。因此，在TCP/IP通信中所有主机或路由器必须设定自己的IP地址。

IP报头格式

• 4位版本号：指定IP协议的版本。IPV4来说就是4
• 4为头部长度：IP头部的长度是多少个32bit.也就是我们报头的长度。也就是length*4的长度。4bit表示最大的数字是15，因此IP的头部最长是60字节
• 8位服务类型：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：IP数据报整体站多少个字节。
• 16位标识：唯一表示主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一片里面的这个id都是相同的。
• 3位标志字段：第一位保留，第二位位置为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，最后一个分片位置为0，其他是1（否则报文就不连续了）
• 13为分片偏移：是分配相对于原始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那个位置。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位协议：表示上层协议的类型。
• 8位生存时间（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，那么久丢弃了，这个字段主要是用来方式出现路由循环。由于网络的Bug或者对端主机不可达等不可控因素的存在，导致IP报文在网络中长时间游离而不消失。
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接受端
• 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。

网段划分

IP是如何找到对方的主机呢？

• IP的构成：ip = 目的网络 + 目的主机 (FF:FF:FF:FF)
• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识
• 主机号：在同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

因此IP在路由的时候，先根据目的网络进行路由，找到目标网络之后，然后再根据目的主机的主机号，找到目的主机。

• 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。

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。

因此发送数据的本质：就是先要找到目标机器（目标网络+目标主机）找的本质就是排除的过程！而子网划分可以一次排除一大批的子网。便于查找–查找目标主机的效率提高

CIDR

为了解决IP不够的问题，引入一个额外的子网掩码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

举例：

因此，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

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，代码这个局域网
• 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地址用于本地环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1

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，一共只要43亿台主机能接入网络么？

实际上，由于一个特殊的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。

私有IP地址和公有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。

那么私有IP是如何解决IP不足这件事情呢？

• 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1048576个地址
• 192.168.* 前16位是网络号，共65536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地址称为一个公网IP，这种技术称为NAT（网络地址转换）局域网中的数据，发送到公网，是需要不断替换原IP来完成的 – NAT技术
• 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/腾讯云进行购买。

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，具体在以太网中指给源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间

IP数据包的传输过程也和问路一样

• 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给目的主机还是需要发送给下一个路由器
• 依次反复，一直到达目的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

• 路由表可以使用route命令查看

• 如果目的IP命令中了路由表，可以直接转发即可

• 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他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到一跳地址

• 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;

IP总结

1. 熟悉IP的报头，理解IP的作用和分片和组装
2. 理解网段划分。构建网络宏观图 网段划分是干什么，谁做的，怎么做