【网络编程·网络层】IP协议

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目录

一、IP协议的概念

二、IP协议的报头

1、四位首部长度

2、16位总长度（解包）

3、8位协议（分用）

4、16位首部校验和

5、8位生存时间

6、32位源IP和32位目的IP

7、4位版本/8位服务类型

8、16位标识

9、3位标志

10、13位片偏移

三、IP协议的网段划分

1、为什么要进行子网划分

2、网段划分规则

2.1老的网络号和主机号的划分方案（和新方案兼容）

2.2新的网络号和主机号的划分方案CIDR

四、特殊的IP地址

五、解决IP地址的数量限制

六、私有IP和公网IP

七、路由及路由表

1、路由

2、路由表

3、路由表生成算法

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一、IP协议的概念

IP：目标网络中的一台目标主机的地址

主机：配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备; 路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制; 节点: 主机和路由器的统称;

IP地址的作用：定位主机并将数据报从A主机跨网络可靠的送到B主机（数据有很大的概率发送成功，如果发送未成功，TCP的多种策略再次让IP去执行数据传输，TCP和IP的组合保证网络通信的可靠）

二、IP协议的报头

1、四位首部长度

和TCP协议一样，IP协议的四位首部长度代表报文总长度=4位首部长度*4字节（4比特位的取值范围为0-15，报头长度至少20字节，所以报文总长度的范围为20-60字节）

看上图报文，右侧有个20字节的提示，这是标准IP，对于标准IP，四位首部长度的二进制数据是0101（5*4等于20）

2、16位总长度（解包）

IP协议的16位总长度包含报头和有效载荷，所以可以通过16位总长度-报头，即可得到有效载荷的长度（对于应用层来说，它的有效载荷是传输层给的报文）

3、8位协议（分用）

8位协议中写了传输层的协议编号，这样向上交付时IP协议就知道自己要将有效载荷交给上层的哪一个协议了。

4、16位首部校验和

校验不通过，直接将报文丢弃，TCP有超时重传机制会补发给IP。

5、8位生存时间

报文在网络传递的过程中，一旦报文从主机发出，便不再受主机控制了。报文会在一个个路由器之间进行传递，可能会出现环路转发等问题，如果不给路由器丢弃报文的权利，那么这条报文将会在环路中被循环转发，白白占用网络资源。

IP协议的8位生存时间规定了这条数据报到达目的地的最大跳数，一般是64。（每次经过一个路由, TTL减减 ，减到0直接将报文丢弃）

6、32位源IP和32位目的IP

应用层提供的端口号是给传输层的，提供的IP是给IP协议的。略。

7、4位版本/8位服务类型

4位版本填的是4，代表ipv4（ipv6和ipv4是不兼容的）

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。

8、16位标识

16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文大于数据链路层的最大传输单元，导致IP层进行分片, 那么每一个片里面的这个id都是相同的。

9、3位标志

3位标志字段: 第一位保留(保留的意思是暂未使用，备用)。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。

10、13位片偏移

13位分片偏移(framegament offffset): 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 * 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。

数据链路层的MAC帧协议规定自己的有效载荷不能超过1500字节（MTU（最大传送单元，可以修改）），这1500个字节限制包括了IP报头+IP报文中的有效载荷。

数据包的大小只有传输层能控制，但有时仍会超过1500字节，只能由IP协议进行分片与组装来解决，发送端IP层进行分片，每一个分片都会有IP报头，对端IP层进行组装（字节超限导致IP层进行分片和组装并不好，因为分片会增加丢包概率）。TCP和MAC帧并不关心IP对数据包进行了分片和组装，这仅仅是IP层自己的行为。

分片：如果更多分片是1，就说明该报文被分片了。如果更多分片是0并且片偏移等于0说明没分片，反之分片。

组装：按照片偏移堆分片IP报文进行升序排序即可。

如何保证组装正确：IP协议有16位首部检验和，TCP协议也有检验和。

报文丢失补发：如果因为分片导致某一片报文丢失，就会造成拼接组装失败。那么就需要进行对端进行补发，补发机制只有TCP层有，IP是不具备补发功能的，但是对于TCP来说，TCP又不关心IP是如何进行分片的，到底是哪一片丢了并不关心，TCP只会重新为IP层补发一个完整的报文。

三、IP协议的网段划分

IP地址共32位，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; （就好像学校里不同的学院有不同的编号）

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、为什么要进行子网划分

互联网中的每一台主机，都必须隶属于某一个子网，这是为了方便定位这台主机。主机A向主机B发送数据，数据报在经过路由器时，会选择正确的网络号，瞬间排除了大量的IP地址，大大提升了查找效率。

2、网段划分规则

1、不同的网段之间的数据转发依靠路由器，所以路由器这种设备隶属于多个网段。路由器也是一台主机，它在多个网段都有一个当前网段的IP地址。通常情况下，路由器的子网IP地址是网段标识.1（LAN口）

2、在一个子网中，管理子网中的IP设备通常是路由器。

3、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。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。

2.1老的网络号和主机号的划分方案（和新方案兼容）

把所有IP地址分为五类：

A类 0.0.0.0到127.255.255.255

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

这种划分方式是不合理的，例如A类IP地址，网络号就只有7位，但是主机号有24位，一个子网下面有这么多主机的场景少之又少，造成了A类地址被大量浪费；而B类地址是比较合理的，这就造成了大多数的组织申请的是B类地址，使得B类地址早早地被分配完毕。

针对这种不合理的划分方案，人们又提出了一种新的划分方案CIDR(Classless Interdomain Routing)

2.2新的网络号和主机号的划分方案CIDR

引入一个额外的子网掩码(subnet mask)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;

注：网络号是由子网掩码二进制最低位的1的位置决定的。子网掩码的二进制最低位的1后面的位数都属于主机号。

例子1：

IP地址和子网掩码的二进制进行按位与操作，得到网络号。主机号是0-255（0000 0000-1111 1111），不过0和255这两个主机号不会被使用，因为0代表网络号，255代表广播地址。

例子2： 

四、特殊的IP地址

1、将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络号, 代表这个局域网;

2、将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了广播地址, 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(loop back)测试,通常是127.0.0.1

五、解决IP地址的数量限制

IP地址仅有32位，由于存在一些特殊用途的IP地址，所以可用的IP地址远不足42亿9千多万，但是TCP/IP协议规定，每一个主机都需要有一个IP地址（实际上每个网卡都需要配置一个或多个IP），所以IP地址是远远不够用的。虽然CIDR一定程度上缓解了老标准对IP利用率不高的问题，但是IP的总数并没有增加。

采用以下方式解决IP地址不够的问题：

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;

六、私有IP和公网IP

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RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址。

1、10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址 （企业级路由器使用）

2、172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址 （企业级路由器使用）

3、192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址（家用路由器使用）

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)

路由器的作用：

1、数据包转发

2、DHCP功能、组建子网（如配置无线网络。注：局域网是内网IP）

3、NAT功能

1、第二点说了路由器可以构建子网，对于家用路由器，构建的子网包含了多台主机，对于运营商路由器，构建的子网包含了多台家用路由器。当我们把数据从主机发送出去了，这个数据并不一定处于公网当中，也可能处于运营商的子网当中，数据包可能仍处于内网环境中。

2、路由器至少会配有两个IP，其中一个是子网IP，也叫LAN口IP，它对应的是该路由器所构建的子网；另一个IP就是WAN口IP，这个WAN口IP是对外的，连接的是上一级路由器。最外层的运营商路由器的WAN口连接的就是公网IP了

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)。同一个子网内的主机IP地址不能重复，但是不同子网之间的IP地址可以重复。

4、当内网IP192.168.1.201向公网IP122.77.241.3发送数据的时候，子网发现目的IP不属于当前网段，会将数据包交给路由器，让路由器一层一层的进行查找交付，最终递达目的IP。根据第三点，目的IP的服务器拿到了内网IP是没办法摸着网线回来的，因为这个内网IP可能存在于多个内网当中，所以就需要主机将数据包交给路由器的时候，将IP逐级替换为路由器的WAN口IP。这种WAN口替换的技术就被称为NAT（网络地址转换）。

七、路由及路由表

1、路由

路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) "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。依次反复, 一直到达目标IP地址;（一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。）

3、通过路由表来判定这个数据包应该发送到哪里

2、路由表

时候用route命令查看Linux机器的路由表：

[jly@VM-4-11-centos linux-code]$ route
Kernel IP routing table
目标网络			下一跳（网关）	子网掩码		   使用状态					哪个接口
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         gateway         0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0 //默认网关
10.0.4.0        0.0.0.0         255.255.252.0   U     0      0        0 eth0
link-local      0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth0

[jly@VM-4-11-centos linux-code]$ ifconfig
eth0: flags=4163  mtu 1500
        inet 10.0.4.11  netmask 255.255.252.0  broadcast 10.0.7.255
        inet6 fe80::5054:ff:fe9c:67a2  prefixlen 64  scopeid 0x20
        ether 52:54:00:9c:67:a2  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 171933080  bytes 33378182758 (31.0 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 165679727  bytes 28636998057 (26.6 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 12503288  bytes 1870189412 (1.7 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 12503288  bytes 1870189412 (1.7 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

此时有一个目的IP10.0.4.0

1、遍历路由表

2、目的IP & 路由表配置的子网掩码，确定该数据包要去的目标网络

3、将&出来的结果和目标网络（Destination）进行比较

4、在路由器中找到这个目标网络，这个目标网络就是下一跳的目的地。

此时有另一个目的IP202.10.1.2

1、重复上述步骤发现路由表中并没有目标网络

2、那么路由器下一跳的目的地就是该路由器配置的默认网关

3、通过Iface接口发送报文

注：数据报位于不同的路由器中的网络号是不一样的。子网掩码越来越长，说明数据报去往的目标网络越来越具体。

3、路由表生成算法

路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由)，例如距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等。