网络层IP协议详解
网络层的作用是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径，它的主要功能的是进行IP地址管理和路由选择服务。
一.IP地址
1.基本概念
主机：主机就是平常的电脑，互联网中的主机都配有IP地址，它没有路由控制的功能。
路由器：即配有IP地址, 又能进行路由控制的功能。
节点: 主机和路由器的统称。
2.IP协议头格式
每一部分说明：
- 版本：指定IP协议的
版本, 对于IPv4来说就是4。 - 4位头部长度
(header length)：IP头部的长度表示的存在是多少个32bit，也就是length * 4的字节数。4bit表示大的数字是15因此IP头部大长度是60字节 - 8位区分服务(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，ftp文件传输，同一时间传输的数据较多。 - 16位总长度(total length)：IP数据报整体占多少个字节。
- 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，到对端重组的时候，根据这个标识可以直接重组。
- 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，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MF"，如果分片了的话，后一个分片置为1表示还有分片，为0表示不能分片。 - 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。除了后一个报文之外，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：表示上次使用的协议
- 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的IP地址。
- 选项字段(不定长最多40字节)
3.网段划分
一个IP地址分为两部分，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到一起。所有的网络号相同的主机构成一个子网。
-
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。 -
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。
关于DHCP：
- 有一种技术叫做
DHCP，它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。
4.五类IP和CIRD块
- 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
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，所以5类IP分配的不合理。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。
针对这种情况提出了新的划分方案, 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。
5.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。用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。（适用于UDP，对于TCP没有广播）。 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1，这个就是自己本机有着一个虚拟网卡。
6.IP地址的数量限制
IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数，那么一共只有存在2的32次方 个IP地址 大概是43亿左右。而TCP/IP协议规定，互联网中的每个主机都需要有一个IP地址才能进行数据传输。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。
解决IP不足的办法：
- 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地址不一定相同。 - NAT技术，替换IP地址。
- 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。
二.私有IP地址和公有IP地址
1. 什么私有IP地址和公有IP地址
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)。
2.路由器
- 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，外层的运营商路由器WAN口IP就是一个公网IP。 - 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。
注：飞秋（局域网之间进行通信）速度很快，因为不需要经过太多的路由。
3.路由
路由是指在复杂的网络结构中, 找出一条从原点通往终点的路线。
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数据报的发送过程：
- 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
如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢?
解决方法：每个节点内部维护一个路由表。
- 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。
这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络。另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络。路由表的Destination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(可以禁用某些条目),G标志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路由器转发。
例1：如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3
- 跟第一行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符 。
- 再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 接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转出去。
**例2：如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2 **
- 依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配
- 按缺省路由条目, 从eth0接口发出去, 发往
192.168.10.1路由器 - 由
192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址
4.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)。自动生成算法包括一些距离向量算法rip、 ospf算法、Dijkstra算法等。
