网络层协议--ip协议

目录

引言

IP协议

协议头格式

16位标识与3位标志与13位片偏移讲解

网段划分(重要)

DHCP技术

CIDR技术

特殊的IP地址

广播主机

IP地址的数量限制

私有IP地址和公网IP地址

路由：在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线

简单认识路由器

路由表生成算法

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引言

前面介绍了应用层协议--http

传输层协议--tcp、udp

现在学习网络层--ip

后续最后一篇文章，关于数据链路层协议的介绍。

网络层：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

IP协议

基本概念

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 ;

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(单位一字节）.

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1, 其他是0. 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（没有更多分片）, 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): 略

16位标识与3位标志与13位片偏移讲解

由于IP的总长度是有上限的，因此传输下来的TCP报文可能会被分片。

就是中间这一栏，进行分片控制。

每个分片都要分到报头

后续片偏移的计算不能加上固定报头，只能算第一个报文的偏移时加上报头（因为我们的视角是一个完整的IP报文，只不过被分割）

实际上片偏移是偏移量 / 8

其实不建议分片--可能增加丢包概率

网段划分(重要)

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

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.

DHCP技术

DHCP（动态主机配置协议）是一种网络协议，用于自动分配和配置网络设备的IP地址和其他网络参数。以下是关于DHCP技术的一些主要特点和信息：

1. **基本功能**：DHCP允许网络设备在加入网络时自动获取IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址等配置信息，从而简化了网络配置过程。

2. **工作原理**：DHCP基于客户端-服务器模型。客户端（如计算机或手机）向网络中的DHCP服务器发送请求，服务器则根据预定的策略和地址池为客户端分配IP地址和其他配置信息。

3. **地址分配策略**：DHCP提供三种IP地址分配策略：

   - 手工分配：管理员为特定设备静态绑定固定的IP地址。

   - 自动分配：服务器为客户端分配无限租期的IP地址。

   - 动态分配：服务器为客户端分配具有租期的IP地址，租期到期后可重新分配。

4. **资源节约与自动维护**：DHCP通过自动分配和释放IP地址，有效地管理和利用IP资源。这种自动维护机制确保了IP地址的合理使用，减少了地址浪费。

5. **应用场景**：DHCP广泛应用于企业、学校、家庭等网络环境中，特别是在大型网络中，它可以快速为新设备提供网络设置，降低了网络管理的复杂性和成本。

综上所述，DHCP技术通过自动化网络配置过程，提高了网络管理的效率和便捷性，同时通过有效的IP资源管理，实现了网络资源的节约和优化。

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（同一ip网络号）. 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)。

CIDR技术

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（注意，将 IP 地址与网络掩码结合时，通过逻辑“与”操作，可以得到 网络地址，这个网络地址 只包含网络号，不包含主机号，因为这是网络层面的通信协议 ）;

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

通过CIDR，可以进一步对网络地址中的主机号进行细分，对网络号进行细分。

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

广播主机

广播主机是指在网络上能够发送广播消息的主机。在计算机网络中，广播是一种通信方式，其中一个主机可以向网络上的所有其他主机发送信息，而不需要知道它们的单个地址。以下是关于广播主机的几个关键点：

### 广播地址
- **广播地址** 是一个特殊的IP地址，当数据包被发送到这个地址时，网络上的所有主机都会接收这个数据包。
- 在IPv4中，广播地址通常是网络地址的最高位加上全1的主机部分。例如，如果网络地址是192.168.1.0，子网掩码是255.255.255.0，那么广播地址就是192.168.1.255。

### 广播的类型
- **直接广播**：发送到特定网络的广播地址，例如上述的192.168.1.255，只有192.168.1.0网络上的主机能够接收到。
- **有限广播**：使用IP地址255.255.255.255进行的广播，通常用于本地网络，不会被路由器转发。
- **定向广播**：在某些情况下，可以对子网进行定向广播，这需要更复杂的子网划分。

### 广播主机的作用
- **网络发现**：广播可以用来发现网络上的其他主机，例如使用ARP（地址解析协议）来查找某个IP地址对应的MAC地址。
- **服务公告**：服务可以宣布它们的存在，例如DHCP服务器通过广播来提供IP地址配置信息。
- **网络管理**：网络管理员可以使用广播来发送网络管理命令，如重启或关闭网络上的所有主机。

### 广播的限制
- **广播风暴**：广播可能会导致网络拥塞，因为每个主机都需要处理广播消息。
- **安全性问题**：由于广播消息可以被网络上的任何主机接收，因此可能会带来安全风险。
- **不支持广播的网络**：在许多现代网络技术中，如IPv6，广播被设计为不支持的，以避免广播风暴和相关问题。
由于这些限制，现代网络设计倾向于使用多播和单播通信，而不是广播。多播允许消息发送到一组特定的主机，而不是网络上的所有主机。
 

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(后面会重点介绍);

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（核心需求是子网内的通信）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（指的是最外层的运行商的路由器哦）.

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).

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。

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 , 就是这样一跳一跳 (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（这个只是网络号）,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

注意：按位与之后，只能得到网络号，而主机号使用网络号最后为0的位去分别置1去标识。

在这个例子中，192.168.1.0 就是网络地址，它只包含网络号，不包含主机号。主机号是在网络地址基础上通过改变最后一个八位组（在这个例子中）来标识网络内的不同主机。

简单认识路由器

路由表生成算法

路由表可以由网络管理员手动维护 ( 静态路由 ), 也可以通过一些算法自动生成 ( 动态路由 ).

请同学们课后自己调研一些相关的生成算法 , 例如距离向量算法 , LS 算法 , Dijkstra 算法等 .