【Linux】IP协议

我们知道互联网是将一个一个的计算机连接起来的庞大的系统，由于计算机很多所以，互联网也很复杂，那么怎样在复杂的网络中找到一个合适的路径呢？

如上图所示，就是在复杂的互联网中找合适路径的过程。
先来介绍几个基本概念：
主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；
路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制；
节点：主机和路由器的统称
来看一下·IP协议报头的结构：

下面对报头信息字段进行解释：
（1）4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPV4来说就是4
（2）4位报头长度：IP报头的长度是多少个32bit，也就是length*4的字节数，4bit表示最大的数字是15，因此IP报头最大长度是60字节
（3）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。
（4）16位总长度：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。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
（6）3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是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
（7）13为分片偏移：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乘八得到的。因此，除了最后一个报文外，其它报文的长度必须是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
（9）路由协议：表示上层协议的类型
（10）16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏
（11）32位源地址和32位目的地址：表示发送端和接收端
（12）选项字段：不定长，最多40字节，包含各种选项
网段划分：
IP地址分为两个部分：网络号和主机号
（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，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号

（1）不同子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
（2）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
（3）通过合理设置主机号和子网号，就可以保证在不相同相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同
针对那么多子网和主机，手动管理子网内的IP，是一件相当麻烦的事情。
（1）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
（2）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
现在已知的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

各类地址的IP范围：
A类：0.0.0.0-127.255.255.255
B类：128.0.0.0-191.255.255.255
C类：192.0.0.0-223.255.255.255
D类：224.0.0.0-239.255.255.255
E类：240.0.0.0-247.255.255.255
随着Intenet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类地址很快被分配完了，而A类浪费了大量地址
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类地址的子网中的主机更多
然而实际网络中，不会存在一个子网中有这么多的情况，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
（1）引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号
（2）子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串“0”结尾
（3）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
（4）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
下面举两个例子：
例子1：

例子2：

由上面两个例子可以看出，IP地址与子网掩码作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
补充：IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示办法：例如140.252.20.68/24，表示IP地址位140.252.20.68，子网掩码的前24位是1也就是255.255.255.0
特殊的IP地址
（1）将IP地址中的主机地址全部设为0，就成了网络号，代表整个局域网；
（2）将IP地址中的主机地址全部设为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
（3）127.*的IP地址用于本机环回测试，通常是127.0.0.1
loopback设备：

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
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者多个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：
（1）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
（2）NAT技术
（3）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地址介绍：
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RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址
（1）10.*，前八位是网络号，共16,777,216个地址
（2）172.16到172.31.，前12位是网络号，共1 048 576个地址
（3）192.168.*，前16位是网络号，共65536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）

（1）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）
（2）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
（3）不同的路由器，子网IP其实都是一样的（通常都是192.168.1.1），子网中的IP地址不能重复但是，子网之间的IP地址就可以重复了
（4）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
（5）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
（6）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，这样的服务器可以再阿里云/腾讯云上购买

路由：在复杂的网络结构中，找出一条通向终点的路线
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：
（1）当IP数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的IP
（2）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
（3）依次反复，一直到达目的IP地址

如何判定这个数据包发送到哪里呢？这个就要依靠每个节点内部维护一个路由表

（1）路由表可以使用route命令查看
（2）如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可
（3）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
假设某主机上的路由表如图所示：

（1）这台主机有两个网路接口，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
（2）路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳的地址，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是与本机接口直接相连的网络不必经由路由器转发

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
（1）跟第一行的子网掩码作与运算得到192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符
（2）再跟第二行的子网掩码作与运算得到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
（3）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：如果要发送数据包的目的地址是202.10.1.2
（1）依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配
（2）按缺省路由条目，从eth0接口发送出去，发往192.168.10.1路由器
（3）由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址