Linux网络 网络层

IP 协议

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 4 字节，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，现在不用，第二位置为 1 表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU(默认为 1500) 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，如 UDP 或者 TCP
• 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.

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，网络号相同的主机放到一起称为同一个子网。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。如果 手动管理子网内的 IP, 是一个相当麻烦的事情，所以衍生出 DHCP 技术，其能自动给子网内新增主机节点分配 IP 地址，一般的路由器都带有这种 DHCP 功能。

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

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。

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

私有 IP 地址和公网 IP 地址

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，实际上 , 由于一些特殊的 IP 地址的存在 , 数量远不足 43 亿. 而 TCP/IP 协议规定 , 每个主机都需要有一个 IP 地址，这就存在 IP 地址不够用的问题。利用 CIDR、私有 IP 地址和公网 IP 地址能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。

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).

路由

路由是指网络层根据目标地址选择路径的过程，它涉及网络中节点（如路由器）之间的通信，以确定最佳路径。

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。

每走一步后，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（Routing Table）

路由表是路由和转发的核心数据结构，它存储了网络路径的信息。在Linux系统中，可以通过以下命令查看路由表：

route

• Destination（目的网络地址）：数据包需要到达的目标网络。

• Gateway（下一跳地址）：数据包的下一个转发目标。

• Genmask（子网掩码）：用于区分网络部分和主机部分。

• Flags：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。

• 度量值（Metric）：用于衡量路径的“成本”或“优先级”。

• Iface（出接口）：数据包从哪个网络接口发送。

如果目的 IP 命中了路由表 , 就直接转发即可。例如要发送的数据包的目的地址是 172.17.56.3，跟第三行的子网掩码做与运算得 到 172.17.0.0，与第三行的目的网络地址相符， 因此从 docker0   接口发送出去。

路由表中的 default 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。