TCP/IP四层模型 —— 关于网络层的那些协议那些事儿

网络层概念

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，它为数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。

简单来说，网络层负责的就是地址管理和路由选择，为每一条数据选择合适的路径。

在TCP/IP协议族中，网络层协议包括IP协议，ICMP协议（Internet互联网控制报文协议）以及IGMP协议（Internet组管理协议）

网络层只有IP协议的话，进行数据传输是不可靠的，因此需要其他协议帮助。

• ICMP是IP协议的附属协议。IP层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其他重要信息。
• IGMP是Internet组管理协议。它用来把一个UDP数据报多播到多个主机。

IP协议格式

如上图：

• 四位版本号：IPV4/IPV6
• 四位首部长度：标识IP报头长度 （一个单位代表四字节，最小20字节/最长60字节）
• 八位服务类型：三位弃用，一位置0，四位TOS字段-最大吞吐量/最小成本/最高可靠性/最小延时
• 16位数据报长度，限制IP报文最大长度不超过64K
• 分片标识：标识当前分片属于哪一个上层报文（传输数据大于MTU会进行数据分片）
• 三位标志: 一位保留，一位禁止分片位，一位分片标志位（一般置为1 1 0）
• 13位分片偏移：标识当前分片位于原始报文的什么位置（2^13 --> 8192 ,单位8个字节，因此描述道0-65536）
• 八位TTL：报文的最长生存周期，每经过路由器-1，默认64/128，防止路由环路
• 八位上层协议：记录传输层协议类型
• 16位校验和：校验数据一致性
• 32位源端/对端IP地址：描述通信的两方
• 0-40字节选项数据：保存特殊服务信息

MTU与mss关系图：

MTU是链路层最大传输单元，而mss则可以理解为传输层所能传输最大数据大小。

MTU通常默认1500字节，因此在网络层如果数据大于1500字节，就会进行分片

不考虑选项数据，当传输层封装的报文为2500字节时，网络层会取出1480字节+20字节的IP头部进行封装，向链路层传递。

IP地址管理

IP地址在网络层就相当于一个主机的标识，主机在网络中的绝大多数行为，比如请求资源，都要通过IP地址进行操作。

IP地址分为IPV4/IPV6地址。

• ipv4地址其实是一个uint32_t的整形，也就是说ipv4地址一共不到43亿个。
• ipv6地址相比于ipv4最显著的区别就是ipv6地址有128位。

IP地址的组成包含两部分，网络号+主机号。

• 网络号，俗称网段，也就是当前网络的标识。
• 主机号就是一个主机在网络中的唯一标识。

我们在这里详细解释ipv4地址。

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早期网段划分

网段的划分分为早期和当前，早期划分方式不合理，因此人们对其进行改造，衍生出了当前网段的划分。

早期将网络号划分为了五部分：

• A：用于组建大型网络，高一位0，7位网络号，24位主机号。
  网络号范围：0-127，IP地址范围0.0.0.0-127.255.255.255
• B：用于组建中型网络，高二位10，14位网络号，16位主机号。
  网络号范围：128.0-191.255，IP地址范围：128.0.0.0-191.255.255.255
• C：用于组建小型网络，高三位110，21位网络号，八位主机号。
  网络号范围：192.0-233.255，IP地址范围：19.0.0.0-233.255.255.255
• D：特殊IP地址
• E：特殊IP地址

无类域间路由（CIDR）

传统划分IP地址的方法都是8位划分的，要不就是前8位网络ID，后24位主机ID；或前16位网络ID，后16位主机ID，或前24位网络ID，后8位主机ID，这种划分IP地址的方法是固定的.
无类域间路由这种划分IP地址的方法，可以划分这种地址，前10位是网络ID，后22位是主机ID这种ID地址，他并不强行规定哪些位是网络ID，哪些位是主机ID。

子网掩码

因为不规定明确的网络ID和主机ID，于是提出了子网掩码的概念，根据子网掩码配合IP地址可以判断出哪些位是网络ID，哪些位是主机ID。

子网掩码时一个uint32_t的数。由连续的二进制1组成，
比如11111111 11111111 11111111 11000000

• 子网掩码和IP地址相与会得到当前网络的网络号，
• 子网掩码取反可以得到当前网络的主机号范围，

特殊IP地址

二进制下

• IP地址全0：可以实现当前主机的任意网卡地址，常用于服务端监听地址，绑定监听本地的所有地址。
• IP地址全1：全网广播地址，常用于DHCP请求地址
  主机号全0：网络号的标识，不可分配
  主机号全1：UDP局域网广播地址，适配当前网络的所有主机，不可分配
  127.0.0.1：本地虚拟回环网卡的IP地址，本地网络测试通信

因此在一个网络中不是所有的IP地址都能划分的，应该减去2.

路由选择

网络可以分为公网/外网，私网/内网
公网/者外网就是我们常听到互联网。
私网/内网是一个私有网络，仅限于内部通信。

ipv4明显IP地址不够分配， 因此由DHCP动态地址分配和NAT网络地址转换等方式解决。

DHCP动态地址分配简单来说，当前主机IP地址为0.0.0.0，向255.255.255.255，发送一个获取IP地址的请求，当DHCP服务器收到后，就会分配IP地址。

NAT（网络地址转换 ）和 NAPT（网络地址端口转换）。
它们都是地址转换，NAPT与NAT的区别在于 NAT是NAT是一对一转换，NAPT是多对一转换。 通俗来说NAT是一个内部地址转换成一个外部地址进行通信的，而NAPT是多个内部地址使用同一地址不同端口转换成外部地址进行通信的。

简单来说：NAPT发送数据的时候会在源地址和目标地址上加上端口号（比如源地址：192.168.1.2:1010，目标地址：200.1.1.2:1020），回来的数据也是一样。

NAPT与NAT的区别在于，NAPT不仅转换IP包中的IP地址，还对IP包中TCP和UDP的Port进行转换。这使得多台私有网主机利用1个NAT公共IP就可以同时和公共网进行通信。（NAPT多了对TCP和UDP的端口号的转换）

IP地址转换和port转换对双方完全透明

路由选择就是路由器根据拿到的数据的IP地址，在路由表中匹配，将数据发往对应的网络。

路由表：

ICMP协议和IGMP协议

ICMP协议，英文全称（Internet Control Message Protocol），就是网际控制信息协议。
主要是用于补充IP传输数据报的过程中，发送主机无法确定数据报是否到达目标主机。

ICMP报文分为出错报告报文和查询报文两种。若数据报不能到达目标主机，ICMP出错报告报文可以以回送信息的方式，向源主机发去信息，并不能纠正数据报中的任何出错。除了出错报告，ICMP还可以诊断出某些网络问题，这就是ICMP的查询报文。

IGMP协议，英文全称（Internet Group Management Protocol），网络组管理协议。主要用于建立和管理多播组，对IP分组广播进行控制。