TCP/IP五层模型——网络层

网络层的主要功能就是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

一. IP协议

1.基本概念

（1）主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；

（2）路由器：配有IP地址，又能进行路由控制；

（3）节点：是主机和路由器的统称。

      这里的路由控制指的是路由控制器根据控制表转发数据包，它根据要转发的数据包中的目的IP地址与控制表对比得出下一个要转发去的路由器。

2.协议头格式

其中，每个字段的作用是：

（1）4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来讲，就是4

（2）4位首部长度：标识IP协议报头的大小，表示IP头部有多少个32bit（即4字节），因为4bit表示的最大值是15，所以IP头部最大长度位15*4=60字节

（3）8位服务类型：其中包括3位优选权字段（已经弃用）；4位TOS字段，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这样的应用程序，最大吞吐量比较重要；1位保留字段（必须置为0）

（4）16位总长度：标识IP数据报整体占多少个字节

（5）16位标识：唯一的标识主机发送的报文。若IP报文在数据链路层被分片了，则每一片里面的该字段相同

（6）3位标志：第一位保留；第二位置为1表示禁止分片，这时如果报文长度超过MTU（最大传输单元），IP模块就会丢弃报文；第三位表示更多分片，若是分片了，最后一个分片置为1，其他置为0，相当于一个结束标记

（7）13位片偏移：标识分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原报文的位置。实际的偏移字节数是这个值*8得到的。因此，除了最后一个分片，其他的分片长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）

（8）8位生存时间：数据报达到目的地的最大报文跳数，一般为64。每经过一个路由，该字段-=1，若该字段为0时还未到达，那么就丢弃了。该字段用于防止出现路由循环

（9）8位协议：表示上层协议的类型，标识向上层谁交付

（10）16位首部校验和：使用CRC检验，用于鉴别头部是否损坏

（11）32位源IP地址：标识发送端

（12）32位目的IP地址：标识接收端

（13）选项：不定长，最多40字节

二.网段划分

1.IP地址分为两个部分：网络号、主机号

（1）网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识

（2）主机号：同一网段内，每台主机具有相同的网络号，但是必须具有不同的主机号

（3）不同的子网其实就是将网络号相同的主机放到一起

（4）如果子网中新增一台主机，则该主机的网络号必须要与该子网的网络号相同，但是主机号必须与该子网中的其他主机的主机号不同

（5）一般来讲，一个局域网中的主机号为1的都表示路由器

2.DHCP技术

      通过上述我们可以知道每个局域网中的每台主机的IP都不一样，所以手动管理这些IP会很复杂。这时就有一个DHCP技术，它可以自动的给子网中新增的主机节点分配IP地址。一般路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作是一个DHCP服务器。

3.IP地址的分类

（1）以前有一种划分方案，将所有的IP分为5类，如下所示：

但是这种划分有个缺点就是，大多数都会申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，但是A类却浪费了大量地址。  

（2）CIDR划分方案

      所以针对以上的情况，又提出了新的划分方案，称为CIDR，它的划分原则是：

1）引入一个额外的子网掩码（subnet mask）用以划分网络号和主机号

2）子网掩码也是一个32位的正整数，通常以一串”0“结尾

3）将IP地址与子网掩码进行”按位与“操作，得到的结果就是网络号

4）网络号和主机号的划分与这个IP地址属于A/B/C类地址无关

      该种方案，就是将IP地址与子网掩码作按位与操作得到网络号，剩下的主机号则从全0到全1即为该子网的地址范围。 

      IP地址和子网掩码也可以表示为140.252.20.68/24。意思就是：IP地址为140.252.20.68；而子网掩码即高24位为1，也就是255.255.255.0

三.特殊的IP地址

1.将IP地址中的主机号全设置为0，就成了网络号，代表这个局域网；

2.将IP地址中的主机号全部设为1，则表示广播地址，用以给同一个链路中的相互连接的所有主机发送数据包；

3.类似127.*的IP地址用于本地环回测试，通常是127.0.0.1

四.IP地址的数量限制

      我们知道对于IPv4版本的IP地址来讲，它是4字节32位的正整数，那么一共就有2的32次方大约43亿个IP地址。而TCP/IP协议规定，每台主机都需要有一个IP地址，这是不是意味着一共能有43亿台主机接入网络？

      实际上并不是，由于一些特殊地址的存在，IP地址的总数远不到43亿。并且IP地址并非是按照主机数来配置的，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，但是仅是提高了利用率减少浪费而已，可以利用的IP地址的上限并没有增加。这时就有以下方式来解决：

（1）动态分配IP地址：只给接入网络的主机分配IP地址。因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，它的IP地址可能不一样

（2）NAT技术（详细介绍会在后面的博客介绍）

（3）IPv6：要明白的是IPv6与IPv4互不相干，也不兼容。IPv6用16字节128位来表示IP地址，只是并未普及。

五.私有IP地址和全局IP地址

1.私有IP地址

      RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址：

（1）10.*，前8位为网络号，共16777216个地址

（2）172.16.*~172.31.*，前12为网络号，共1048576个地址

（3）192.168.*，前16位为网络号，共65536个地址

2.全局/公网IP地址 

    包含在以上范围的则是私有IP地址，其余的则全部为全局（或公网）IP地址。

3.其他知识

（1）一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP用于连接外网/公网；一个是LAN口IP用于连接内网/局域网；

（2）不同的路由器，子网IP其实都是一样的（一般为192.168.1.1）；

（3）子网内主机的IP不能重复，但是子网间的IP地址可重复；

（4）每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了；

（5）子网内的主机需要与外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址替换为WAN口的IP，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术叫做NAT技术（后面还会详细介绍）

（6）如果我们希望我们自己的服务器程序，可以在公网上被访问到，就需要把程序部署到一台具有外网IP的服务器上。

六.路由

      路由过程就是根据目标地址，在复杂的网络中，找到一条路径的过程。它的主要实现过程是：

1.IP数据包的传输过程就像问路一样：

（1）当IP数据包到达一个路由器时，路由器会先查看该数据包的目的IP；

（2）路由器可以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；

      那上述的操作是如何决定的呢？这就由每个节点内部维护的一个路由表所决定，其中路由表在Linux可以使用route命令查看，路由表中的基本信息有目的网络地址、子网掩码、下一跳地址。具体操作如下：

将目的IP与路由表中第一行中的子网掩码进行按位与操作，将得到的结果与第一行的目的网络地址作比较

1）若结果相同，就看下一跳的地址。若下一跳地址为空，则说明路由器已到达目的网络，此时就根据目的IP地址得到对应MAC地址，将数据包直接发给目标主机即可；若是下一跳地址不为空，说明还未到达目的网络，此时就要转发给下一跳地址表示的路由器，至于后面的，则由下一跳的路由器决定。

2）若结果不同，就将目的IP与第二行的子网掩码作按位与运算，再重复以上操作......

3）若在路由表最后一行以前的数据都没有符合的，就执行缺省路由条目。最后一行即为路由缺省条目，它由下一跳地址和发送接口两部分组成，按照该行的接口将数据包发送给下一跳地址。

3）依次反复上述操作，一直到达目标主机。

2.上述的过程，就是数据包的一次次问路过程。在到达一个路由器时，会有以下三种情况：

（1）还未到达目的网络，但是路由器知道下一跳去哪；

（2）还未到达目的网络，且路由器不知道下一跳去哪；

（3）到达目的网络了，路由器与目的主机相连，路由器可以直接将数据包转发给目的主机

3.Linux下查看路由表

（1）Destination：目的网络地址

（2）Gateway：子网掩码

（3）Genmask：下一跳地址

（4）Flags：

      1）U标志：表示此条目有效；

      2）G标志：表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址

      3）没有G标志：目的网络地址与本机接口相连，不用通过路由器转发

（5）Iface：发送接口