Linux网络编程基础_4_网络层（二）--IPv4(上)
网络层（二）
--IPv4(上)
一、IP数据包格式[IPv4分组]
IP数据包是网络传输的信封，它说明了数据发送的源地址和目的地址，以及数据传输状态。一个完整的数据包由首部和数据两部分组成。首部前20字节属于固定长度，是所有IP数据包必须有的，后面是可选字段，其长度可变，首部后面是数据包携带的数据，见下图。
1、版本（4bit）
IP协议版本已经经过多次修订，1981年的RFC0791描述了IPV4，RCF2460中介绍了IPV6。
2、报头长度（4bit）
报头长度是报头数据的长度，以4字节表示，也就是以32字节为单位。报头长度是可变的。必需的字段使用20字节（报头长度为5，IP选项字段最多有40个附加字节（报头长度为15）），即固定部分+可变部分，不会超过60字节。
3、服务类型（8bit）
该字段给出发送进程建议路由器如何处理报片的方法。可选择最大可靠性、最小延迟、最大吞吐量和最小开销。路由器可以忽略这部分。
4、数据报长度（16bit）
该字段是报头长度和数据字节的总和，以字节为单位。[数据报的总长度]最大长度为65535[2^16- 1]字节。
5、标识符（16bit）
是数据的主机为数据报分配一个唯一的数据报标识符。在数据报传向目的地址时，如果路由器将数据报分为报片，那么每个报片都有相同的数据标识符。
6、标志（3bit，目前只有前两位有意义）
位0：未用。
位1：不是报片。如果这位是1，则路由器就不会把数据报分片。路由器会尽可能把数据报传给可一次接收整个数据报的网络；否则，路由器会放弃数据报，并返回差错报文，表示目的地址不可达。IP标准要求主机可以接收576字节以内的数据报，因此，如果想把数据报传给未知的主机，并想确认数据报没有因为大小的原因而被放弃，那么就使用少于或等于576字节的数据。
位2：更多的报片。如果该位为1，则数据报是一个报片，但不是该分片数据报的最后一个报片；如果该位为0，则数据报没有分片，或者是最后一个报片。
7、报片偏移（13bit）
该字段标识报片在分片数据报中的位置。其值以8字节为单位，最大为8191字节，对应65528字节的偏移。
例如，将要发送的1024字节分为576和424字节两个报片。首片的偏移是0，第二片的偏移是72（因为72×8＝576）。
注意：结合IP数据报分片进行理解[仅对数据部分进行分片]。
8、生存时间（8bit）
如果数据报在合理时间内没有到达目的地，则网络就会放弃它。生存时间字段确定放弃数据报的时间。
生存时间表示数据报剩余的时间，每经过一个路由器都会将其值减一，或递减需要数理和传递数据报的时间。实际上，路由器处理和传递数据报的时间一般都小于1S，因此该值没有测量时间，而是测量路由器之间跳跃次数或网段的个数。发送数据报的计算机设置初始生存时间。
9、协议（8bit）
该字段指定数据报的数据部分所使用的协议，因此IP层知道将接收到的数据报传向何处。TCP协议为6，UDP协议为17。
10、报头检验和（16bit）
该字端使数据报的接收方只需要检验IP报头中的错误，而校验数据区的内容或报文。校验和由报头中的数值计算而得，报头校验和假设为0，以太网帧和TCP报文段以及UDP数据报中的可选项都需要进行报文检错。
11、源IP地址（32bit）
表示数据报的发送方。
12、目的IP地址（32bit）
表示数据报的目的地。
二、IPv4地址与网络地址转换NAT
点分十进制记法：
为了记忆方便,IP地址采用点分十进制表示，如：128.10.2.30，其二进制格式：10000000.00001010.00000010.00011110
1、IPv4地址
IP地址的编址方法，共经历了三个历史阶段。这三个阶段是：
1） 分类的 IP地址。这是最基本的编址方法，在1981年就通过了相应的标准协议
2） 子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC950]在1985年通
3） 构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993年提出后很快就得到推广应用。
a）为了适应不同网络规模的需求，将IP地址进行分类，不同类型IP地址拥有的主机数不一样。每一类地址都由两部分组成：网络号Net-id+主机号Host-id，前者标志主机（或路由器）所连接到的网络，后者它标志该主机（或路由器）。
两级的IP地址可以记为：
IP地址::={ <网络号>,<主机号>}
b）特殊地址
对于因特网IP地址中有特定的专用地址,不作分配:
(1)主机地址全为"0"
不论哪类网络,主机地址全为"0"表示指向本网,常用在路由表中。例如,18.0.0.0表示其网络号为18。
(2)主机地址全为"1"
主机地址全为"1"表示广播地址,向特定的所在网上所有主机发送数据报。例如,IP地址为202.119.224.225,是要求指向202.119.224网上的所有主机转发数据报。
(3)4字节32比特全为"1"
若IP地址4字节32比特全为"1",表示仅在本网内进行广播发送。
(4)网络号127
TCP/IP协议规定网络号127不可用于任何网络。其中有一个特别地址:127.0.0.1称之为回环地址
c）使用范围：
| 网络类别 |
最大网络数 |
第一个可用的网络号 |
最后一个可用的网络号 |
每个网络中的最大主机数 |
| A |
126 |
1 |
126 |
16777214 |
| B |
16382 |
128.1 |
191.255 |
65534 |
| C |
2097150 |
192.0.1 |
223.255.255 |
254 |
d)IP地址的重要特点
1）IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
第一，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。
第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
2）实际上IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号net-id必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomedhost)
由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。
3）用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。
4）所有分配到网络号net-id的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。
5）在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP地址。如指明IP地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络”。
2、网络地址转换NAT
网络地址转换(NAT,NetworkAddressTranslation)属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有（保留）地址转化为合法IP地址的转换技术，它被广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。原因很简单，NAT不仅完美地解决了lP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。
说明：私有IP地址是指内部网络或主机的IP地址，公有IP地址是指在因特网上全球唯一的IP地址。
RFC1918为私有网络预留出了三个IP地址块，如下：
A类：10.0.0.0～10.255.255.255
B类：172.16.0.0～172.31.255.255
C类：192.168.0.0～192.168.255.255
上述三个范围内的地址不会在因特网上被分配，因此可以不必向ISP或注册中心申请而在公司或企业内部自由使用。
NAT工作流程
①如图这个client（终端）的gateway（网关）设定为NAT主机，所以当要连上Internet的时候，该封包就会被送到NAT主机，这个时候的封包Header之sourceIP（源IP）为192.168.1.100；
②而透过这个NAT主机，它会将client的对外联机封包的sourceIP ( 192.168.1.100 ) 伪装成ppp0(假设为拨接情况)这个接口所具有的公共IP，因为是公共IP了，所以这个封包就可以连上Internet了！同时NAT主机并且会记忆这个联机的封包是由哪一个(192.168.1.100 ) client 端传送来的；
③由Internet传送回来的封包，当然由NAT主机来接收了，这个时候，NAT主机会去查询原本记录的路由信息，并将目标IP由ppp0上面的公共IP改回原来的192.168.1.100；
④最后则由NAT主机将该封包传送给原先发送封包的Client。