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Linux：带你理解网络层IP协议

IP协议

网络层

IP协议头格式

地址管理

网段的划分：
特殊的IP地址

路由选择
公网与私网（外网与内网）

知识点习题

网络层

负责地址管理与路由选择：路由器（IP协议）

IP地址：无符号32位的一个整数，在网络中唯一标识一台主机（IP地址给主机的分配一定要保证唯一性）

IP协议头格式

4位协议版本：IPV4 / IPV6
4位头部长度：IP报头也是不定长的，最长60字节，最小20字节，有40字节的选项数据（以4字节为单位）
8位TOS字段：3位优先权弃用，4位服务类型（最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本），1位保留位必须置0
16位数据报大小：包含IP报头在内的一个IP报文的大小，最大大小65535（意味着一个IP报文的最大长度不能超过64K）

tcp在传输层会自己选择合适大小MSS数据发送，udp报文数据最大大小应该小于64K-20-8

16位标示：udp数据在网络层有可能会进行数据分片，标识当前分片属于哪个完整报文
3位分片标志：1位保留，1位禁止分片标志 — 是否禁止分片，1位更多分片标志 - 类似于结尾标志
13位分片偏移：以8个字节为单位，标识当前分片在完整报文中的位置（相对起始位置偏移量）
8位TTL：报文最大生存周期 — 一个数据能够经过多少路由器，经过路由器就会-1，为0的时候则将数据丢弃（防止路由环路）
8位传输层协议：在数据分用时，网络层取出数据，需要通过这个协议类型，决定传输层使用哪个协议对数据进行分用解析
16位校验和：校验数据一致性
32位源IP地址 / 32位目的IP地址：负责描述数据从哪个主机来到哪个主机去
40字节选项数据：例如保留经过的路由器地址信息

注意：

网络层的数据分片

若传输层交付下来的数据大小过大，会在网络层将这个大数据截断为多个小的数据分片，然后每个分片封装IP报头进行发送，到达对端之后进行分片重组，组合成为完整的一个报文交付给上层。

传输层交付下来的数据大小过大，到底是多大就会分片？

这个大小取决于链路层最大数据帧的限制 — MTU（最大传输单元）

传输层tcp协议协商的MSS就是根据MTU计算得到的，因此tcp传输的数据到了网络层通常是不会进行分片的
但是udp协议传输数据，只限制数据小于64k-28就可以传输，但是若大于MTU大小就会在网络层进行数据分片 — 网络层数据分片主要针对udp

13位分片偏移，为什么要以8字节为单位？

13位能够表示的最大大小事 8192 = 2^10 * 2^3；但是一个完整的udp报文有可能是接近64K的大小，最后一个分片有可能偏移量都6万多了，13位的偏移大小是没法表示；
因此这个字段中的大小是以8字节为单位 8 = 2^3；这时候8192就表示具体的偏移量为 8192 * 8 = 64K；这样就可以完整表示偏移量了（因此每个分片除了最后一个，大小都是8的整数倍）

地址管理

网络非常大，人为分配是搞定不了的；只能机器分配 — DHCP — 动态地址分配

整个网络是由很多的小型网络组成的，按照网络进行地址分配，每个网络中的主机IP地址带有这个网络的标识符，只要每个网络的标识符不同，就可以保证分配的IP地址不同

IP地址的组成：网络号（网段） + 主机号

网络号：用于标识当前的网络

一个路由器组建局域网的时候，所对应的网络表示（每个路由器对于接收到的数据进行源地址判断，这个网络是否属于自己的网络，属于才会转发，不属于则直接丢弃）

主机号：主机号就是在局域网中大家拥有相同网络号的情况下，标识唯一的一个主机

网段的划分：

主机号的唯一路由器很容易就可以实现；主要保证的是网络号如何划分？

早期

将所有的IP地址划分为五类地址，组建什么样的网络，就使用什么样的网络号，分配什么样的地址。

A类：用于组建超大型网络，IP地址中：高一位固定为0，高七位是网络号，低24位是主机号 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
比如我要组建超大网络，使用10.这个网络号，则这个网络的IP地址分配范围：10.0.0.0 ～ 10.255.255.255
B类：用于组建中型网络，IP地址中：高2位固定为10，高14位是网络号，低16位为主机号：128.0.0.0～ 191.255.255.255
C类：用于组建小型网络，IP地址中：高3位固定为110，高21位是网络号，低8位是主机号 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D类：特殊网络，地址中：高4位固定为1110，28位多播组号
E类：特殊网络，地址中：高5位固定11110，27位保留

你要组建什么网络，然后去权威机构进行申请，分配一个网络号，接下来组建网络，主机号的分配由自己完成

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.

当前划分方式 — CIDR方案

引入了一个新的字段 — 子网掩码

子网掩码：无符号32位的整数，不过数据由连续的二进制1组成(由一串“0”来结尾)

子网掩码取反可以得到局域网中的最大主机号
从0到最大主机号就是局域网中主机号的分配范围 255.255.255.0 — 255（0～255）
子网掩码与IP地址相与，可以得到网络号
路由器收到一个数据，拿数据的源地址与自己的网络号相与，看看与自己的网络号是否匹配

特殊的IP地址

主机号全为0的IP地址：网络号 — 用于标识网络（这个主机号不能分配给主机）
主机号全为1的IP地址：udp局域网广播地址（这个主机号不能分配给主机）
udp支持局域网广播，将数据发送的广播地址，可以认为是发送给局域网中的所有主机（局域网所有主机都能识别）
127.0.0.1：这个地址是每个主机上都有的一个本地虚拟回环网卡地址（主要用于本机的网络测试）
0.0.0.0：这个地址适配本机上任意网卡地址，常用于服务端监听地址（监听本机所有网卡IP）
255.255.255.255：全网广播地址 — 任意一个主机拿到发往这个地址的数据都会认为和自己匹配（常用于DHCP广播）

路由选择

根据数据中的目的地址，来为数据选择一条合适的路径

每一个主机连接上路由器之后，都会全网广播dhcp请求，路由器收到后会进行回复：

dhcp响应：
给主机分配的IP地址
当前所在网络的子网掩码
当前所在网络的网关地址
…

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;

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。

这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.2.0网络,另一个网络接口连到 192.168.1.0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
拿到数据之后，根据数据的目的地址，与路由表中的每条信息进行比对（目的IP地址与对应网络的子网掩码相与，得到网络号，判断与对应网络的网络号是否相同）
判断这个数据的目的主机是否属于这个网络，若属于这个网络，则使用加入这个网络的对应网卡将数据发送出去。若都没有对应，则发送到自己的网关设备上。

公网与私网（外网与内网）

私网：仅限于网络内部通信的网络，无法连接外部
外网：互联网

IPv4的IP地址不够用，除了DHCP动态地址分配技术（谁上网给谁分配地址）之外还有一种NAT技术 — 网络地址转换技术

一个路由器可以组建一个私网，仅限于私网内部通信，若要进行外部通信，则大家使用同一个对外IP地址进行上网，这样的话，只要保证相邻的两个私网网络号不同，分配的地址不同，其他的私网之间，IP地址是否冲突就不重要了。

只要保证不与外部的IP地址冲突就行，但是相邻的两个网络不能使用相同的网络号
网络是否相邻，主要取决于路由器的连线，与路由器相连线的网络都属于相邻网络

在RFC1918中规定，能够用于组建私网的地址有以下几种

大型私网	中型私网	小型私网
10. * . * . *	172.16. * . * ~172.31. * . *	192.168. * . *

10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16. 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).
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.

知识点习题

下列关于TCP，UDP，IP协议的定义及主要有什么作用描述正确的有？（多选）

A.UDP，TCP 在传输层，IP在网络层

B.IP协议负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机

C.TCP在传输层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。

D.UDP提供的是一种可靠的数据流服务，TCP相反

正确答案：AC

Ip协议是不可靠的，不能保证每一数据块均能到达目的主机。

关于IP地址下列说法错误的是？

A. IP地址采用分层结构，它由网络号与主机号两部分组成
B. 根据不同的取值范围IP地址可以分为五类
C. 202.112.139.140属于B类地址
D. 每个C类网络最多包含254台主机
E. IPv6采用128位地址长度
F. A类，B类和C类地址为内部私有地址

正确答案： CF

答案解析：

A类地址： 1.0.0.1—126.155.255.254
① 10.X.X.X 是私有地址（所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址）。
② 127.X.X.X 是保留地址，用做循环测试用的。
B类地址： 128.0.0.1—191.255.255.254 。
① 172.16.0.0—172.31.255.255 是私有地址
② 169.254.X.X 是保留地址。如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器。就会得到其中一个IP。
C类地址： 192.0.0.1—223.255.255.254 。
192.168.X.X 是私有地址。
D类地址： 224.0.0.1—239.255.255.254
E类地址： 240.0.0.1—255.255.255.254

关于IP报文头的TTL字段，以下说法正确的有( )(多选)

A. TTL的最大可能值是65535
B. 在正常情况下，路由器不应该从接口收到TTL=0的报文
C. TTL主要是为了防止IP报文在网络中的循环转发，浪费网络带宽
D. IP报文每经过一个网络设备，包括Hub、LAN SWITCH和路由器，TTL值都会被减去一定的数值

正确答案: B,C