计算机网络（十） —— IP协议详解，理解运营商和全球网络

目录

一，关于IP

1.1 什么是IP协议

 1.2 前置认识

二，IP报头字段详解

三，网段划分

3.1 IP地址的构成

3.2 网段划分

3.3 子网划分

3.4 IP地址不足问题

四，公网IP和私有IP

五，理解运营商和全球网络

六，路由

七，IP报文的分片与组装

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一，关于IP

1.1 什么是IP协议

场景：我数学成绩很好，10次考试6次满分，然后大家都在传，说我有“数学考满分的能力”，那么我一定能做到吗？  --> 不一定，只是有很大的概率考满分

问题：如何保证我每次都考满分？

解答：

• 我有很大的概率考满分，如果没考满分，就重新考；
• 这样就能保证每次都考满分。老师是给我安排考试的人（提供策略），我是真正“执行考试”的人，没考到满分就重新考，这相当于超时重传
• 然后老师提供策略，就相当于Tcp，所以Tcp在网络中更多的是：“提供可靠性策略”，真正去考试的是“我”，我就是 --> IP协议。

IP协议的本质工作：提供一种能力，将数据从A主机跨网络送到B主机。

用户需要的是：提供一种能力，将数据“可靠地”将数据从A主机跨网络送到B主机；按照现在的网络，将数据成功送过去的概率很高，但不是100%，所以传输层提供策略，下层提供能力，两者结合就能保证“我”每次都能考满分。

 1.2 前置认识

数据发送的过程中会经过很多路由器，就好比我们网络基础1的旅游的例子

1. 要对所有的主机进行标识，用源ip和目的ip来标识源主机和目的主机；IP分为私有IP和共有IP
2. 旅游的例子，我们要先去故宫，得先去北京：“去目标城市，去目标地点”；唐僧要去西天的大雷音寺，拜见佛祖求取真经：“西天就是目标城市，大雷音寺就是目标地点，但是到了目标地点还不够，还得通过端口找到佛祖这个进程，然后交数据”

IP地址 = 目标网络 + 目标主机

任何一个主机都是在某个子网上的，由这个子网的路由器连接，发送数据后要先到达主机B所在的的子网网络（先到达目标网络），然后想办法将报文交给主机B（交给目标主机） --> 依据：路由器的转发机制。（会跨越很多子网）

我们处在一个精心设计的世界中，你有身份证号，上学时有学号，上班时有工号，但是我们学号不是单纯的数据，是有格式的：学号 = 年纪编号 + 学院编号 + 专业编号 + 班级编号 + 学号03

场景：

•  我捡到一个校园卡，只有学号432008，大部分人不知道这个学号上对应的学院编号是多少，我只知道这是个学号，但这肯定是其它学院学生的，因为这个学号开头和我不一样！
• 然后我每个学院都去问一遍，这个归还校园卡的过程本质是“查找”，查找的本质就是“排除”，一个一个学院去问效率太低。
• 那么每个学院都有学生会主席，每个学生会主席都给自家学院建了一个群，然后每个主席又相互建了一个主席群，而且学生会主席肯定知道其它学院的编号，然后我艾特主席，把卡照片发给他，然后主席再把照片发主席群里去
• 然后主席艾特了以下电气学院的主席，然后电气主席说这是我们学院的学号，然后电气主席再把照片发到他的电气学院群里去艾特小美，然后交换联系方式，最后物归原主

上面一顿操作下来，让整个校园卡归还过程快速合理，一开始我说不是我学院的，排除了我这个学院的所有人，然后主席找到了电气主席本质是排除了其它学院，就加速了归还过程。

查找的本质是“排除”，所以建立群的方式，是提升了淘汰的效率，以前一次淘汰一个人，现在是淘汰一群人

我们把我自己的学院编号叫做源IP地址，把要归还的校园卡的学校叫做目的IP，我的群叫做局域网主机，把主席叫做局域网出口路由器，把主席群叫做公网，像这样一个一个群，就能提高效率，因为一次可以排除很多东西

IP协议意义：构建网络的时候，为我们将来定位一台主机，提供基础保证。

二，IP报头字段详解

 两个老问题：

• 报头和有效载荷如何分离？
• 如何将有效载荷交付给上层？

①4位首部长度

• 真实报头长度 = 4位首部长度（假设是x） * 4，范围为[0000, 1111]，换成十进制就是[0, 15]
• 标准报头长度为20字节，那么x就是5，首部长度就是[5, 15]，就是[20, 60]字节之间，这和Tcp是一模一样的

②16位总长度

• 代表报文总长度，所以报文长度 = 固定长度报头 + 自描述字段，
• 有效载荷长度 = 总长度 - 固定长度报头，就能将有效载荷和报头分离

③4位版本

• 这个是固定死的，对于IPv4来说就是4
• 但是现在有个问题，ip地址是32位，也就是42亿个，现在入网设备太多了，面临着“IP地址不足”的问题
• 解决方法有很多，NAT，还有IPv6，其中IPv6相当于新的协议了，它用128位来标识，IPv6和IPv4不兼容，IPv6我国最强大，主要用在国内内网，IPv4主要用在公网，这个我们后面讲运营商在讲，现在默认认为是4

④8位服务类型

• 丢包问题是无法解决的，这4个选项是为了在进行数据包转发时，给路由器提供转发依据的，提高可靠性，了解一下即可
• 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

⑤8位生存时间（TTL）

• 数据每经过一个路由器就是一次转发，但是网络太大了可能出bug，而且接收方可能会挂掉无法接收数据，那么IP报文会被无限转发，这种报文称为流离报文
• 所以我们给每个报文设置一个生存时间，表示该报文在转发的时候能经过的路由器的跳数，每经过一个路由器，生存时间就 -=1，如果为0时，路由器直接丢弃报文

⑥8位协议

• 指的就是我们要把IP的有效载荷交付给上层的哪一个协议
• 下层分离报头和有效载荷后，根据8位协议将有效载荷交付给上层的指定协议

⑦32位源IP和32位目的IP

• 我们以前在进行socket套接字编码的时候，要求填充 ip + port，现在可以认为：我们在应用层要把点分十进制的ip字符串转化成4字节的ip是为了填充报头的这两个内容的，而32位源IP和32位目的IP是提供给路由器让它进行路径选择的
• Tcp只存在操作系统上，在各路由器中是没有Tcp层的
• 只有通信双方主机具有Tcp层，因为所有路由器只工作在网络层。（路由器可能有Tcp，但是不用）

⑧16位标识，3位标志和13位片偏移后面讲

三，网段划分

3.1 IP地址的构成

IP地址分为两部分：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：同一段网络内，主机之间具有相同的网络号，但是必须具有不同的主机号

这就好比我们学号的班级加个人编号一样，一个班级内的同学前面的数字是一样的，这叫做同一个网段，后面两个数字或者三个数字不一样，这就是主机号不能相同

• 路由器本质也是一个特定子网的主机，所以路由器它自己也要配置IP地址和主机号
• 路由器实现转发，那么路由器要连接至少两个局域网/子网，所以路由器也一定要配置多个IP地址和主机号 --> 原因：路由器有多张网卡
• 路由器一般是一个子网中的第一台设备，它的IP地址一般都是“网络号.1”
• 路由器的核心功能是IP报文的转发，但是路由器的功能不仅仅如此，比如构建局域网/子网，子网中的主机的IP就是路由器分配的，这个后面公网IP和私有IP再将讲
• 内网IP：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；并且路由器里面也有操作系统的，所以路由器会对子网IP做管理（DHCP协议）

 DHCP协议：全称 Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议

• DHCP通常用于大型网络环境中，主要工作就是集中地址管理，分配IP地址，使网络中的主机动态获得IP地址，Gateway地址，DNS服务器地址等信息，能够提升地址的使用效率
• DHCP是基于UDP的，一般的路由器都有DHCP，所以路由器也可以看作是DHCP服务器
• 我们连接校园网或者WiFi时，都会要求输入密码，这其实就是路由器在验证你的身份，验证通过后，路由器就会给你动态分配一个IP地址，然后我们就可以进行各种上网动作了

3.2 网段划分

故事：网络开始兴起的时候是32位的IP，可以标识2^32差不多42亿，用完就没了，所以我们可以认为IP地址是一种有限的资源，就意味着各个国家是要竞争IP的

IP分为网路地址和主机地址，曾经提出的划分这两个地址的方式，是把IP地址分为5类，称之为分类划分法：

各IP地址的取值范围如下：

• 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

但是随着网络发展，这种划分方式问题很快出现：

• 大多数组织都申请的B类网络地址，导致B类网络地址很快就被分完了
• 所以A类浪费了大量的地址，而且每一个子网中的主机号也很难全部用完，例如，申请一个B类地址，理论上一个B类子网能构建6万5千多个主机IP，A类的更多，但是实际上一个子网不会有这么多主机，因此大量的IP被浪费掉了
• 所以网络的研究员针对性地提出了一种划分方案：CIDR

3.3 子网划分

注意：该方法是针对上面五种IP的类类型提出的，因为可以看到有些IP地主机号太多了，实际情况下不需要这么多主机，所以需要将主机号减少，减少IP的主机数，就能划分出更多子网，减少IP地址浪费

CIDR，全称Classless Interdomain Routing：

• 在分类划分法的基础之上，引入一个额外的子网掩码，来区分网络号和主机号，这个掩码也是一个32位正整数，用”0“和”1“表示，通常用一串”0“来结尾
• 将IP地址和当前网络地子网掩码进行”按位与“，得到的结果就是当前所在网络的网络号

有了CIDR之后，一个网络就被更细粒度地划分成了一个个更小地子网，这样IP地主机号就越来越小，就可以减少IP地址被大量浪费，下面是具体步骤：

• 比如在某个子网中，将IP地2前24位作为网络号，那么该网络地子网掩码地32个比特位中前24位就是1，后面8位就是0，每8位以点隔开，最后就是255.255.255.0
• 假设子网中有一台主机192.128.128.0，那么将这个IP与掩码进行“按位与（&）”计算后，就是192.168.128.0，就是这个子网对应地网络号
• 子网掩码，可以对32位IP进行任意划分，为了书写方便，我们一般把子网掩码这样表示：192.168.128.0 /24，“/24“ 表示整个IP地址当中前24个比特位位1，后面8个为0

特殊的IP地址：

有些IP具有特殊用途，不能作为主机地IP地址：

•  IP地主机地址为0，就是网络号，代表这个局域网
• 将主机号设为1，就成为了“广播地址”，用于给一个链路中相互连接地所有主机发送数据包
• 127.*地IP地址通常用于本机环回测试，通常是127.0.0.1

3.4 IP地址不足问题

CIDR虽然一定程度上缓解了IP地址浪费的问题，但是没有增加IP地址的绝对上限，仍然不是很够用，所以有下面三种解决方法：

• 动态地址分配：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，简单来说就是路由器发放和回收IP，在校园网中，我们在宿舍，教室和图书馆接入的校园网，每次的IP都是不相同（共享IP，你要用就给你，不用或用完了还给我）
• NAT技术，后面介绍
• IPv6：不是IPv4的升级版，是真正变革性的技术，与IPv4毫不相干，是两种不同的协议，用128字节表示一个地址，但是IPv6还没有普及
   

四，公网IP和私有IP

如果一个组织内部组件局域网，在这个局域网内，IP地址只用于局域网内地通信，而不直接连接到公网上，理论上使用任何IP都可以，但是为了规范，RFC 1918 规定了用于组件局域网地私有IP地址：

• 10.* ，前8位是序列号，共16777216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

包含在上面三个范围中地，都成为私有IP，其余地都是公网IP，我们连接云服务器时，连接的这个IP就是云服务器地公网IP：

同时，我们也可以通过ifconfig这个命令来查看我们这台机器私有IP：

在我们Windows的cmd控制台上输入ipconfig命令，也可以看到大量以192.168开头的私有IP：

 在我们的使用生涯中，我们从一开始使用的IP其实都是私有IP，在云服务器中才接触到公网IP

问题：数据是如何发送到服务器的？

解答：路由器上有两种网络接口，分别是LAN口IP，WAN口IP：

• LAN口（Local Area Network）：表示连接本地网络的端口，主要与局域网中的交换机，集线器或PC主机相连，LAN口IP也叫做子网IP
• WAN口（Wide Area Network）：表示连接广域网的端口，一般指互联网，WAN口IP也叫做外网IP

我们使用的电脑，家用路由器，运营商路由器，广域网以及我们要访问的服务器之间的关系大致如下：

• 不同的路由器，子网IP其实是一样的（通常都是192.168.1.1），子网内主机IP不能重复，但是不同子网的IP地址可以重复
• 我们的家里的路由器连接的一定是运营商的IP，所以我们家里的路由器与运营商其实是构建成一个子网的，所以我们家里路由器的WAN口IP也是运营商路由器的内网IP
• 所以我们的报文出去的时候，它会做一种策略：会将源IP替换成每一个路由器的WAN口IP；所以上面我们的请求从家用路由器出去后，dst不变仍为122.77.241.3，WAN口IP会被替换成10.1.1.2也就是家用路由器的WAN口IP，然后交给运营商路由器
• 然后运营商路由器再次替换src为运营商路由器的WAN口IP，这样依次转发，最后到达对方主机时，dst不变，src就变成了对方路由器的WAN口IP --> 这种不断替换私有IP的过程我们叫做 —— NAT技术
• IP资源不够，所以用这种策略，用公网IP构建网络的话，IP资源是远远不够的，所以就介入到上面这种模式，可以极大减少主机数，私有IP全由路由器维护，所以互联网 = 私有IP + 共有IP，前者主要给底层路由器的主机用，后者主要给路由器用

问题：为什么私有IP不能出现在公网中？

解答： 

• 不同局域网中主机的IP可能是相同的，所以私有IP不能标识唯一的一台主机，所以私有IP不能出现在公网中
• 而且也因为IP地址不足的问题，我们不能让主机直接使用公网IP，私有IP的重复也意味着我们可以在不同的局域网中使用相同的IP地址，环节二IP不足

五，理解运营商和全球网络

问题：我们是怎么上网的？

解答：

• 有运营商的工作人员拉网线，然后光纤入户。需要两个设备，一个是调制解调器（猫），路由器，一般是两个盒子。
• 光纤里面有很多玻璃丝，用来传输光信号或者高低电平，然后光纤插到解调器上，解调器的作用是模拟信号转数字，数字信号转模拟，计算机只认识01序列，所以解调器将模拟信号转化成数字信号后转给家用路由器
• 但是光拉网线不行，还得“交钱”，然后就会给你家路由器一个账号和密码之后，路由器才能上网。
• 同时，路由器还有一个功能就是构建局域网，然后我们的wifi就可以看到了路由器名字了，但是我怕别人来蹭网，于是在除了运营商的账号密码外，还有一个路由器账号和密码，所以路由器里面存在着两套账号密码

关于运营商： 

• 在上网前有一个步骤非常重要：网络基础设施建设，基础设施建设好了，网民就多了，接着就会孵化出大大小小的互联网公司，然后提供更多工作岗位，推动经济发展
• 但是这个基础建设，是非常耗时耗力的，而且回报周期很长，所以一般的私人企业不愿意做这种活儿，所以咱们国内的那三个公司肯定也不愿意做，但是我们国家“要求”你这么做，同时国家也会大力扶持国企进行基础设施建设，“强迫”运营商去建设
• 在20年前，手机的流量费是非常贵的，下个图片可能5毛钱就没了，所以基础设施搞好，还要降流量费，这样才会有更多人进来
• 而且你不仅要城里的人能上网，还得要村里的人也能上网，所以需要很多基层的工作人员下基层安装维护设备，就是来你家里安装网线的人
• 如果运营商没钱了，国家就来给补给，所以有一个强大的国家，才会有我们国家如此丰富的网络基础设施，让人随时随地都可以上网

关于全球网络：

• IP地址是一份大的资源， 在分配的时候不是按国家大小来分配的，一般是按照国家组织地区人口综合评估来分发的IP个数的
• 各个国家是有自己的国际路由器的，这个路由器彼此都是连接的，就类似于我们前面的学生会主席，我们国家的子网掩码是0000 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000，也就是前8位0000 0010
• 前面8个比特位就不用了，然后每个省也有自己的省路由器，34个省，2^6，然后我们就可以拿着前面的6个比特位来进行编号，然后6+8=14，所以子网掩码就是14位，之后国际路由器也就可以和我们的国内路由器进行通信了
• 然后每个省有很多市，然后再次分配4个比特位进行编号，到了市路由器之后，子网就变成了14+4=18了。
• 然后这个地区的ip开头就都是同样的的，假设西安是0000 0010这是国际掩码，然后0000 10这是省路由器掩码，然后00 10这是市编码，后面就是主机号了
• 一共是0000 0010 0000 1000 1000 0000 0000 0000，换成点分十进制就是2.8.128.5
• 当一个外国人要想访问2.8.128.5时，先转化为0000 0010.0000 1000.1000 0000，最后一个就是5 --> 0000 0101  ，先发现不是他国内的IP，然后把请求交给美国国际路由器，然后扔到群里面，艾特中国路由器，然后中国路由器再把请求在国内的省路由器群里面艾特了西安，然后到了西安后，西安再问，最后找到2.6.126.5的主机，进行访问
• 而当请求到了我们国内路由器，之后的所有工作都是由运营商做的

六，路由

主机A要把数据发给主机B，是要先根据目标IP，经过路由完成转发，实际是一跳一跳转发的

我们可以查看当前主机的路由表：

IP数据包的传输过程中会遇到很多路由器，每当数据包到一个路由器后，路由器会查看该数据的目的IP地址，并告知数据下一跳该往哪跳

问题：查路由表是怎么查的呢?

解答：拿着目标主机的IP地址，按位与&上路由表中的子网掩码，然后和Destination做对比，如果比对不成功，如果不是就直接对比下一个掩码和Destination，如果对比成功，那么表示目标网络正确，就通过eth0把数据发送出去

我们查路由器表，会有下面四种结果：

• 路由器不知道下一跳要去哪（这种情况基本不会发生，如果发生就是该路由器没配置好，算法设计有问题。）
• 给你转到下一跳
• 路由器不清楚，但是会给我们转入默认路由
• 已经到达目标局域网的入口路由器

对于转入默认路由，一般是“同网段的另一台路由器”，但是一个子网一般只有一个路由器，所以我们连接的路由器一般都是子网IP对应的1号路由器，如果我判断一个报文的目的IP不是我这个子网的，所以直接交给下一跳

七，IP报文的分片与组装

实际上在一台主机上，报文并没有通过网络层直接发出去，而是继续交给了自己的下一层协议（数据链路层，属于网卡的驱动层，还有物理层），数据链路再去转发给路由器或者同一个网段的主机。

但是数据链路层，无法一次发送过大的报文，所以就要求上层不能给我交付过大的报文。

ifconfig命令可以查看当前协议栈的一些信息，其中上面红框框的 mtu 表示当前的数据链路层的MAC帧一次最多发送1500字节的数据，这个数据包括IP的报头和IP的有效载荷

但是，如果一个报文超过1500字节，但是又数据链路层又不得不发，这时候就会对报文进行分片， 而且既然有分片，那么必定有组装，所以就要求IP报头里包含分片组装的相关信息：

• 其中16位标识就是IP报文的编号，分片之后的IP报文编号是相同的
• 对于3位标志位字段，第二位为0，标识允许切片，第三位用来结束标记，表示当前是否是最后一个小片，是的话为0，不是为1
• 对于13位偏移，假设一个报文都分成了很多片，这个偏移量表示这个小片在原来的大报文里的偏移量，用于组装报文
• 对于分片后的每个IP报文，都会重新添加IP报头的

问题：如何组装的？

解答：

1. 先确保将所有的分片全都聚在一起（相通的标识）
2. 然后通过片偏移排序（完成组装），去掉报头然后拼接 

问题：我如何知道一个IP报文是分片报文呢？ 

解答：

• 只要我收到了后面的切片部分，那么片偏移一定不为0，如果片偏移为0，我们还有个三位标识符的结束标识，简单来说，如果一个IP报文不是分片的，那么片偏移=0，更多分片=0，一个不为0那么就是分片的
• 总结：片偏移 != 0 || 更多分片 == 1，只要符合任意一个条件，就说明这个IP是被分片的

问题：如何知道切片报文是否丢失？

解答：丢失报文有丢失，那么一般是三种情况：1，丢第一个    2，丢中间的    3，丢最后一个

• 如果丢了第一个，如果根据片偏移排序时没有一个报文的片偏移是0的，就能甄别出来
• 如果丢最后一个，收到的报文没有任何一个更多分片结束标记为0，那么就认为丢最后一个
• 对于丢中间，在进行排序时，第一个报文长度就是下一个报文的片偏移，假设三个1500长度的报文，第一个片偏移是0，排完序后第二个直接就是3000了，但是我们两个报文片偏移加起来才1500，那么我可以认为第二个报文丢了，识别出丢中间

问题：建不建议分片呢？

解答：不建议。因为在IP当中，如果有任意一个分片丢失导致组装失败，那么在Tcp看来就相当于整个报文丢失了，会进行全部重发，所以分片可能会增加丢包概率，降低传输效率