Linux_网络_网络层协议 IP（报文结构，报头字段，网段划分，子网掩码，公网IP与私网IP，路由转发）

网络层解决的问题：将数据从一台主机发送到另一台主机。

路由器：配有IP地址，又能进行路由控制

节点：主机与路由器的统称

1. IP协议

TCP协议：为IP协议提供策略支持，IP协议拥有通信的能力，TCP通过自己的决策，保证了IP协议在通信时的可靠性。同时TCP还负责将数据交付到上层的应用层。

IP协议：知道目的IP地址，经过路径选择，将数据跨网络传送到对端主机的功能。

路径选择是靠路由器实现的，前提是路由器的路由表已经建立。

IP协议报头字段

报文格式为：

• IP协议报头与有效载荷的分离

IP协议报头与TCP相似。除了报头选项字段后长度固定为20字节。读取前20字节后，通过4位首部长度可以找到报头的总大小

与TCP相似，这个4位首部长度每单位是4字节，所以报头长度最大为60字节（选项最大为40字节）

再根据报头的16位总长度获取到IP协议报头+有效载荷的总长度。

综上，上述两个字段实现IP协议报头与有效载荷的分离

UDP中有16位UDP总长度

TCP中没有类似字段，因为TCP是面向字节流的。TCP只是将有效载荷拷贝到缓冲区即可，至于报文之间的区分由上层来做。

IP协议需要16位总长度，因为IP报文在网络中以一批一批的IP数据报发送，接受时需要处理每一个IP报文的有效载荷，不能出现粘包问题，需要区分不同的IP报文，需要16位总长度字段。

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• IP协议将有效载荷传递给上层（分用）

IP协议报头上的8位协议字段：表示上层协议类型编号，系统根据这个编号来将有效载荷传递给上层的协议。

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4位版本

指定IP协议的版本，对于IPV4来讲为4。

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8位服务类型

3位优先权字段（弃用），4位TOS字段，1位保留字段（设置为0）。

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。
注意：这些字段互相冲突，只能选择一个。eg：对于ssh选择最小延时，ftp选择最大吞吐量等等

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8位生存时间

记录一个IP报文可以经过的节点总数，每经过一个节点，生存时间-1，当生存时间为0时报文自动丢弃

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16位首部校验和

对收到的IP报文进行校验，当报文出错后，报文丢弃。重传文体靠TCP决策

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32位源IP与目的IP

源地址与目的地址：在套接字中将自己的IP地址和对端IP地址填写到sockaddr_in结构体中，IP地址根据这两个地址进行通信。

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IP可以进行跨网络通信，首先要把数据从本机送到与本机直接相连的主机上。（数据链路层MAC协议）

MTU

其中MAC携带的最大有效载荷长度mtu不能超过1500字节，mtu包含了IP的报头+IP有效载荷

如果超过1500字节(MTU)，IP须将数据分片发送。

如果分片发送，到对端IP协议还需要进行组装。
注意：每一片都有IP报头。

16位标识

唯一标记主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层分片，每片的标识都是相同的，代表属于一个IP报文。

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13位片偏移

分片后，相对IP报文开始处的偏移量（当前片在原报文的位置）

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正常情况组装时：

1. 先根据16位标识符，找到所有标识符相同的报文
2. 再根据偏移量从小到大排列，将所有片拼接起来。

判断所有片都收到是根据3位标志字段：

3位标志字段

• 第一位保留
• 第二位为1代表禁止分片（如果此时超过mtu会直接丢弃报文）
• 第三位表示更多分片，如果分片，每片报文第三位设置为1代表后序还有分片，整个报文的最后一片这个字段设置为0，代表最后一片。（不分片的报文这一位设置为0）

根据13位片偏移和3位标志字段来判断是否丢包：

1. 根据片偏移从小到大排列完毕后，如果第一片片偏移不为0，代表首报文丢失。
2. 如果最后一片标志位第三位不为0，代表最后一片报文丢失。
3. 当前报文的片偏移量+当前报文长度=下一片报文的片偏移量，根据这个公式来判断中间报文是否丢包。

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注意：
如果一个报文分太多片，会增加丢包概率。分片这种情况是少概率事件。

为了减少IP传输时分片，传输层要控制传递数据的大小。TCP在3次握手时双方会建立MSS（最大传输尺寸）

2. 网段划分

IP的构成：
目的IP=目标网络+目的主机。这样划分为了提高检索效率。

eg：IP协议将数据从A主机跨网络发送给B
首先，先找到B主机所在的网络，其次在网络中找到B主机。

这种将网络分成不同局域网方便检索的模式就是网段划分。

网段划分的方式

• 同一个子网其实是把相同的网络号主机放到一起。不同网络号的主机属于不同的子网。
• 同一个子网不同主机的主机号不同，但网络号相同。

通过设置网络号和主机号可以标记互联网的唯一 一台主机

DHCP
自动给子网内新增的主机分配IP地址，不需要手动分配IP。（一般路由器自带这项服务，所以路由器又称DHCP服务器）。

粗粒度划分5类IP

如果IP首位为0，直接去A类网络找下一个子网，不需要从其他类找，提高了检索效率。

类似的区分其他不同类网络，根据下一个比特位来确定。

eg：A类网络IP中还有7位网络号，说明在A类网络下最多还可以有2^7个局域网。

• A类网络：0.0.0.0——127.255.255.255
• B类网络：128.0.0.0——191.255.255.255
• C类网络：192.0.0.0——223.255.255.255
• D类网络：224.0.0.0——239.255.255.255
• E类网络：240.0.0.0——247.255.255.255

子网掩码

随着网络发展，上述划分局限性越来越明显，IP浪费很严重。

eg：
申请B类网络，理论上一个子网上可以拥有6万多个主机，实际上一个子网不可能有这么多主机，其他空余主机位置全部被浪费了。

这里引出CIDR划分方法（子网掩码）

• 引出子网掩码来区分网络号与主机号
• 子网掩码是32位正整数，通常以0结尾
• 将IP地址与子网掩码&操作，可以得到网络号

eg：
主机IP地址：192.168.3.10
子网掩码（mask）：255.255.255.0

192.168.3.10 & 255.255.255.0=192.168.3.0（网络号）

每一个子网都具有子网掩码和网络号。

目的IP与当前子网的子网掩码&后找到对应网络号，与路由器中每个子网的网络号对比，找下一个子网。重复上述过程，直到找到对应主机。

①、缺省子网掩码

也叫默认子网掩码，即未划分子网，对应的网络号的位都置 1 ，主机号都置 0 。

未做子网划分的IP地址：网络号＋主机号

A类网络缺省子网掩码： 255.0.0.0，用CIDR表示为/8

B类网络缺省子网掩码： 255.255.0.0，用CIDR表示为/16

C类网络缺省子网掩码： 255.255.255.0，用CIDR表示为/24

②、自定义子网掩码

将一个网络划分子网后，把原本的主机号位置的一部分给了子网号，余下的才是给了子网的主机号。其形式如下：

做子网划分后的IP地址：网络号＋子网号＋子网主机号

如：192.168.1.100/25，其子网掩码表示：255.255.255.128

25个1
子网掩码：11111111.11111111.11111111.10000000=255.255.255.128

特殊的IP地址

• IP地址的主机号全0，代表网络号，表示这个局域网，eg:192.0.0.0
• IP地址的主机号全1，代表广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。
• 127.*的IP地址用于本地环回，通常是127.0.0.1

IP地址的数量限制

IP地址（IPV4）是4字节32位一共有2^32个IP地址，大约43亿左右。
由于特殊IP地址存在数量要比43亿还要小

CIDR（子网掩码）在一定程度上缓解了IP浪费文体，但还是IP地址相对于全球还是不够用。

以下三种方式解决

• 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MAC地址设备，每次上网时IP地址可能不同）
• NAT技术：地址转化协议
• IPV6（IPV6与IPV4不兼容，IPV6使用16字节128位来表示一个IP地址）

3. 公网IP与私网IP

所有IP地址=公网IP+私网IP

网络规定，公网IP与私网IP相互独立，没有交集。

• 10.*开头的IP是私网IP，前8位是网络号，共有16777216个地址。
• 172.16——172.31，前12位是网络号
• 192.168.*开头，前16位是网络号

上述范围的IP地址是私网IP，其余IP地址都是公网IP。
局域网IP是可以重复的，因为使用的网络并不是公网IP，而是路由器设备构建出的局域网。所以私有IP不能出现在公网上，否则会出现歧义。

一般来讲，局域网的1号主机就是路由器。

路由器是连接多个局域网的设备。
对于本局域网的网口IP称为LAN口（局域网的子网IP），当路由器想要访问外网时网络接口称为WAN口。这个网络路由器的WAN口可能作为下一个网络LAN口。

跨网络通信的细节如下：
在通过局域网路由器时，目的IP不变
源IP替换为路由器的WAN口地址

将数据从主机发送到服务器：

服务器将处理数据发送回主机涉及MAC协议，先空开不谈。

之所以这样发送网络数据，是因为IP地址不足。

4. 路由转发

IP地址转发基本思路：以数据从主机A到主机B来看

所以：每一台网络中的设备都有路由表

link-local指的是默认路由，如果路由表查不到时，会交给默认路由进行发送。

数据在发送时先在本机上查找路由表，如果查到了同属于同一局域网，则不需要路由器转发。如果查不到，说明发送的不在一个局域网，需要路由转发离开局域网（默认路由）。