IP协议（IP协议报头、MTU、网段划分、NAT技术、路由的工作过程）
文章目录
- 1.IP协议
- 1.1 IP协议报头
- IP如何将报头和有效载荷分离？
- IP如何有效载荷交给上层的谁？
- MTU对IP协议的影响
- MTU对UDP协议的影响
- MTU对TCP协议的影响
- 1.2 网段划分
- 为什么要划分网段？
- 为什么要先找到目标网络？
- 私有IP地址和公网IP地址
- NAT技术
- NAPT技术
- 2.路由
1.IP协议
我们在对网络分层的了解上知道IP实际上是为路由找方向属于网络层协议，比如说唐僧去西天取经IP地址就是西天，MAC地址则是下一个目的地的地址，比如说唐僧到了女儿国，国王说你下一站应该去火焰山，女儿国国王为什么知道唐僧的下一站是火焰山，就是根据IP地址判断的。
IP提供了一种能力，可以将数据从A主机跨网络送到B主机，但是有能力一定会做到吗？
苗苗有能力考100分，那么她每次考试都是100分吗？
当然不是啦，但是即使苗苗考了98分，我们也不能说她没有能力考100分
可是如果非要让她考100分呢?
我们普通学生没有能力让她重新考试，但是学校的领导可以啊，学校的领导可以让考试反复进行，直到苗苗考100分
所以说，能力只是决定了将该事情办成的几率大，并不确定一定能完成。要想IP一定将数据从主机A跨网络传送到主机B，它的上层也就是TCP可以控制它，如果传送失败，反复传送 ，直到传送到为止。
假设你在北京有个朋友，想要来你的学校看你，问你怎么走？
你会告诉他直接坐飞机到你的学校吗…
除非你的学校有飞机场
你当然会告诉他，你先到哪个城市，然后转什么什么交通工具…
对应到网络中，要想将数据从主机A传送到主机B，就必须先到主机B所在的网络。唐僧想去西天取经，就必须先到西天，然后在西天找相应的地方，并不是佛祖就在西天的入口等他。
IP地址 = 网络号+主机号 路由器就是根据网络号找下一个地址的方向。
1.1 IP协议报头
- 4位版本号(version) 指定的是IP协议的版本 IP协议分为IPv4和IPv6 IPv4为4字节，IPv6 16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。
- 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还没有到达，就将此报文丢弃，这个字段主要是用来防止出现路由循环。
- 32为源IP地址和32位目的IP地址 表示发送端和接收端
IP如何将报头和有效载荷分离？
4位首部长度 和TCP报头中的4位首部长度一样，代表的是IP报头的长度是多少个4字节，4位比特位能够表示的最大数字是15，即IP头部的最大长度是15*4 = 60字节
16位总长度 指的是IP数据报整体占多少个字节
IP如何有效载荷交给上层的谁？
8位协议 表示上层的协议类型
MTU对IP协议的影响
数据链路层MAC针的最大传送单元MTU为1500字节，所以对于较大的IP数据包要进行分包。
就像是我们寄一个重20公斤的快递，但是顺丰快递的极限是五公斤，我们就必须分四次进行发送，所以IP有一个重要的功能分片，对方收到数据后，由于分片收到的数据是不完整的。所以IP还必须有一个组装功能
假设顺丰的丢包率是2%，我们分四次进行传送，对方收到完整包的概率就为：98%*98%*98%*98% 可见分片后丢包的几率就大了，我们还是尽量应该不分片的好。
数据链路层能接收的最大报文是1500字节
即证明IP报文+有效载荷的最大值是1500 IP报头是20字节，也就是IP的有效载荷为1480字节
IP的有效载荷即为TCP报头+TCP有效载荷，TCP报头也是20字节，所以TCP的有效载荷就为1460字节
即就是如果TCP传入的有效载荷不大于1460字节就不会被分片（MSL）
但如果超过1460字节就必须分片。
如何分片？
13位分片偏移量是分片相对于原始IP报文开始处的偏移量，即就是表示当前分片在原报文处的哪个位置 非0 ，即就表示该片是分片。但是问题来了，假设收到的报文是分片第一片，偏移量为0，怎么区分它是分片还是完整报文呢？3位标志位 第三个标志位为1代表有更多分片 ，为0代表无分片。
如何组装？
根据13位分片偏移量和3位标志位确定该报文不是完整的报文，需要组装 ，在分片时同一个报文的各个分片16位标识相同，IP协议根据16位标识和分片偏移量将报文组装起来，但是怎么确定，分片的结束呢，还是上面所说的3位标志位，第三个标志位为0标识后面再无其他分片了。
在组装时根据偏移量排序，偏移量+自己的长度 = 下一个报文的偏移量，如果不是，接收方IP的16位校验和就会出错，将数据丢弃，则证明丢包了，启动重传机制，但是TCP都不知道IP分片了，也就更加没办法知道哪一片丢了，TCP就会整体重传。
MTU对UDP协议的影响
- 一旦UDP携带的数据超过1472
（1500 - 20（IP首部）-8（UDP首部））那么就会在网络层分成对个IP数据报 - 这多个IP报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层的重组失败，并且UDP是没有可靠性的，如果UDP数据报被分层，丢包的几率将大大增加
MTU对TCP协议的影响
- TCP单个数据报的最大消息长度称为MSS（1500-20-20）
- TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS商议
- 最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不被分片处理的最大长度
- 双方在发送SYN时，会在TCP首部写入自己能支持的MSS值
- 然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终的MSS
1.2 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
- 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
- 如果在子网内新增一台主机，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。(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，避免了手工管理IP的不便，一般路由器都带有DHCP功能)
为什么要划分网段？
上文提到要想将数据从主机A传送到主机B，就必须先到主机B所在的网络。
为什么要先找到目标网络？
我们举个例子吧，就说大学里的学号，根据学号我们可以精确的对应到一个人。
假设我们计算机学院有一个群，文理学院有一个群…各个学院都有自己对应的一个群，各个学院的群主之间又有一个校群。
某天我们捡到了一张一卡通，上面有对应的学号，我们怎么找到失主呢？
守株待兔吗？ 路过一个人抓住问是不是你的一卡通？直到找到失主吗？
事实告诉我们并不需要这样，我们只需要拍张照片发到自己学院的群里@群主 告诉他你捡到了一卡通，学院的群主经常混迹于各个学院之间，认识这个一卡通属于的学院，去校群里@相应的学院负责人，这个相应的负责人就去自己的学院里找相应的人，这样很快的就可以将卡归还失主。
如果不划分网段，直接拿IP地址找主机，是不是就是像守株待兔一样，一个主机一个主机的遍历，但是有了网段划分，一次就可以排除多个网络
划分网段的主要目的就是为了提高效率。
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
A类: 0.0.0.0到127.255.255.255.255
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
随着互联网的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显示出来，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，而其他类却浪费了
- 例如申请了一个B类地址，理论上一个自网内能允许六万五千多个主机
- 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
针对这种情况提供了一个新的划分方案称为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类还是C类无关
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方式，例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位时1也就是255.255.255.0
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，这意味着，一共只有43亿主机能接入网络吗？ 实际上 ，由于一些特殊IP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地址的上限没有变）仍然不是很够用，这时候又有了三种解决办法：
- 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 (下面详解)
- 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
私有IP地址和公网IP地址
私有IP地址只在局域网出现，不同局域网内私有IP可以重复，但是公网IP不可以重复。
假设上图中，建立请求
源IP:192.168.1.200
目的IP:122.77.241.3
服务器收到后，响应请求
源IP：122.77.241.3
目的IP：192.168.1.200
但是192.168.1.200为 私有IP 仅在局域网内有效，在不同的局域网内有可能重复，所以在整个网络中有可能有成百上千个192.168.1.200，具体发给谁是不确定的，但是我们可以确定的是在建立连接时，源IP肯定不是我们所理解的192.168.1.200
那么究竟是怎么传输的呢？
NAT技术
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地址将变成为一个公网IP，这种技术成为NAT(网络地址转换)
建立请求
源IP:192.168.1.200
目的IP:122.77.241.3
到达家用路由器
源IP：192.168.1.1
目的IP: 122.77.241.3
到达运营商路由器
源IP：10.1.1.1
目的IP：122.77.241.3
服务器收到后，响应请求
源IP：122.77.241.3
目的IP：10.1.1.1
但是知道目的IP为10.1.1.1，怎么将响应送还到192.168.1.200呢？
在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表，当192.168.1.200第一次向122.77.241.3发送数据时就会产生映射关系
- 一个路由器可以配置两个IP，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP
- 不同的路由器，子网IP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，但是子网间的IP地址就可以重复了
NAPT技术
如果局域网内多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的，那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？
这时候NAPT使用IP+port来建立这个关联关系
2.路由
路由器起着路由的作用，可是路由器怎么知道，你的数据下一次去的是A站而不是B站呢?
某年，我们考上大学，做火车来到火车站，不幸的是，手机钱包都丢了，我们怎么去学校呢?
刚好在火车站看见了一位扫垃圾的大爷
我们兴致勃勃的跑过去问路
大爷啊，我想去****大学，怎么走啊？
假设即使大爷不知道路，也会竭尽全力帮助别人
情景一：
大爷说：我也是刚来不久，你去问那个大妈，她家住这里，方圆几公里，她都认识路
情景二：
大爷说：沿着这条路直走，右拐两次，在问别人
此时我的长途跋涉开始了，不断的问路，前进，直到有人说：你想找到的地方就是这儿。
那么问题来了，在问路的过程中，别人怎么知道你应该朝哪里走呢？想想我们在问路的时候，是不是首先要告诉别人想要去哪里，别人才会做出想应的回应。
对应到网络中：IP数据包的传输过程也和路由一样
假设某主机上的网络连接配置和路由表如下：
| Destination | GateWay | Genmask | Flags | Metric | Ref | Use | Iface |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 192.168.10.0 | * | 255.255.255.0 | U | 0 | 0 | 0 | eth0 |
| 192.168.56.0 | * | 255.255.255.0 | U | 0 | 0 | 0 | eth1 |
| 127.0.0.0 | * | 255.0.0.0 | U | 0 | 0 | 0 | l0 |
| default | 192.168.10.1 | 0.0.0.0 | UG | 0 | 0 | 0 | eth0 |
- 路由表的Destinaion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
- Flags中的 U标志表示此条目有效 G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地址是与本机接口直接相连的网络，不必经过路由器转发。
这台主机上右两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24，另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络
转发过程中，如果要发送的数据包的地址是192.168.56.3
- 跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，与目的网络地址不符
- 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接口直接相连接的网络，因此可以直接发到目标主机，不需要经过路由转发
转发过程中，如果要发送的数据包的地址是202.10.1.2
- 依次和路由表的前几项进行对比，发现都不匹配
- 发往192.168.10.1默认的路由器
- 由192.168.10.1根据它的路由表选择下一跳的地址