网络层——IP协议

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：指定IP协议的版本呢，对于IPV4来说，就是4.
• 4位头部长度：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个字节
• 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数据报整体占多少个字节
• 16位标识：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模板就会丢弃报文。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：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：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为协议：表示上层的协议类型
• 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个字节

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。

 

如果手动管理子网内的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

五类IP

• 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树更多。
• 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

• 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
• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类，B类,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位也是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（适用于UDP，对于TCP没有广播）。
• 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1，这个就是自己本机有着一个虚拟网卡。

IP地址的数量限制

我们知道，IP地址(IPv4)是一个4字节32位正整数，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，每个主机都需要一个IP地址。

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I炮底纸的绝对上限是没有增加的)，仍然不是很够用，这时候有三种方式可以解决

• 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，而不直接练到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2位使网络号，共16 777 216个地址
• 172.16.到1772.31.，前12位是网络号，共有1048 576个地址
• 192.168.*，前16位是网络号，共有65536个地址

包含在这个范围中的，都称为私有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WAN口IP，一个LAN口IP（子网IP）
• 路由器LAN口连接的主机，都是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
• 每一个家用的路由器，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地址也成为一个公网IP，这种技术称为NAT(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

在复杂的网路结构中，找出一条通往终点的路线。

路由的过程，就是这样一跳一跳“问路”的过程

所谓“一跳”就是从数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指源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

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他行都不匹配时，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，另一个连到192.168.56.0/24网络网络
• 路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Geteway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主之，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机直接相连的网络，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几口直接相连的网络，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目的是202.10.1.2

• 依次和路由表前几项对比，发现都不匹配
• 按缺省路由条目，从eth0接口发出去，法网192.168.10.1路由器
• 由192.168.10.1路由器根据他的路由表决定下一跳地址。

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)

相关的生成算法：距离向量算法，LS算法，Dijksrtra算法等https://blog.csdn.net/sayhello_world/article/details/72476795