Linux网络：IP协议 | 网段划分 | 私有IP、公网IP | 路由

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IP协议前言

• 网络层IP协议 提供的是一种将数据跨网络传送到另一台主机的能力。数据的可靠性问题是由上篇文章的TCP协议维护。
• IP地址 = 网络地址（北京） + 主机地址（天安门）。
• 路由器工作在网络层: 即配有IP地址, 又能进行路由控制；主机: 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备。主机、路由器都可叫做节点。
• 三大运营商在互联网基础设施建设、和 网段划分中起着至关重要的作用。

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协议头格式

• 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4. IPV4、IPV6不兼容。
• 4位头部长度(header length): IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。 4bit表示最大的数字是15， 因此IP头部最大长度是60字节.。
• 8位服务类型(Type Of Service): 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.
• 16位总长度(total length): IP数据报整体占多少个字节。报头加有效载荷。
  • 不包含有效载荷，通常的叫法叫做：16位首部长度。
• 16位标识(id): 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.
• 3位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为1表示禁止分片（0 1 0 ）, 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（0 0 1）. 类似于一个结束标记.
• 13位分片偏移(framegament offset): 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).
• 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。
• 8位协议: 表示上层协议的类型。
• 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.
• 32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端.
• 选项字段(不定长, 最多40字节): 略

4位首部长度

IP报头20个字节起步，选项最多40个字节。每一位 0 0 0 0，以为代表4个字节。最大长度是60个字节，也就是全1 1 1 1。

IP协议的解包与分用

通过4为首部长度将报头和有效载荷进行分离，通过8位协议，确认传递给上层的哪个应用。

分片

数据链路层规定了IP传下来的数据最大是1200字节，如果超过这个值，请自行分片。分完片之后，每个报文都是一个完整的IP报文，包含IP报头。

• 如果一个报文没有被分片，则 3个标志位都是0，13位偏移也是0，只有一个标识。
• 假如是3000字节的报文，应该被分成三份。
  • 这三分切片的报头大部分数据是一样的。16位标识是一样的，三个标志位，前两个是 0 0 1，最后一个是 0 0 0。
  • 这三片，第一片的偏移量，相对于原始IP报文开始处的偏移0，假设第一片的报文大小是1480字节（0-1479）；
  • 则第二片的偏移量1480地址处，假设第二片报文的大小是1000；
  • 那么第三个切片相对于原始IP报文开始处的偏移量是2480，第三个报文的大小则是500个字节。

切片报文的组装：IP层的切片，IP接受方进行组装。

问：如何判断标识的报文分片了？
答：要么它的3位标志位的最后一位是1；要么要么它的3位标志位的最后一位是0，而13位分片偏移不是0。

问：如何将特定标识的全部的分片报文收集在一起？
答：根据13位分片偏移量进行升序排序，看升序的最后一个分片的标志位，是0，就代表收集全了。

问：分片丢包了怎么办？
答：不会对单个分片进行重传，而是告诉上层整个报文重传。

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网段划分

• IP地址分为两个部分, 网络号和主机号。C类IP地址：192.168.128.001
  • 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。192.168.128前三个8进制，24个比特位叫做网络号。
  • 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。剩下的8个比特位是 主机号，标识子网中的一台主机。
  • 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。
    • 子网：可以是某个局域网，也可以是某个局域网里面的一部分。
• 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。

问：为什么要进行网络的子网划分？
答：便于提高查找效率。

通过合理设置主机号和网络号， 就可以保证在相互连接的网络中， 每台主机的IP地址都不相同。

那么问题来了， 手动管理子网内的IP， 是一个相当麻烦的事情。
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。

划分IP地址的方案

一：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
• 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
  • D、E类不怎么用。
• 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。

二：新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)。

• 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。
• 将原有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。
• 最后一个字节依旧标识主机号，表示这个子网内布可以用的主机号的范围。
• 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。
  • 想要一个子网的网络号多一点，子网掩码的前24位调小一点。
  • 想要一个子网内部的主机号多一点，子网掩码的后八位调小一点。
    

可见，IP地址与子网掩码做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。IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法：例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0。子网掩码的32个比特位有多少个1，代表这些IP地址的位表示的是网络号。剩余的比特位表示，子网內部可用的主机号范围。还可以再分配比特位作为子网的网络号。

IP地址 与 子网掩码的演算：

特殊的IP地址。

• 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。
• 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
• 127.* 的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1。

IP地址的数量限制

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。这意味着， 一共只有43亿台主机能接入网络么? 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：
  • 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(后面会重点介绍)。
  • 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。

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私有IP地址和公网IP地址

**三大运营商硬件上组建网络通信基础设施；软件上组件公网，进行网络划分。**目的：缓解IP地址的不足，提高数据传输效率。

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

路由器：DHCP，组建局域网、数据包转发

• 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。

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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。
  • 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。

路由表

• 那么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。route
  • 路由表可以使用route命令查看
  • 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。
  • 根据路由表查询结果，发现已经到了目标网络，根据主机号，在局域网中将数据转发给目标主机。
  • 工作在IP层以及IP层以上的设备（主机、路由器）都有路由表。
    

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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。