【计算机网络】IP协议

4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.

4位首部长度(header length):不包含数据的报头大小。和TCP的4位首部长度一样， 4bit表示最大的数字是15,但单位是4字节，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(包含数据).

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, 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.

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= 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(当路由器接收到一个数据包时，它会根据路由表选择下一跳，并将数据包转发给下一跳路由器。如果路由表配置不正确或存在环路，路由器可能会错误地选择一个跳转路径，导致数据包在网络中循环转发。).

8位协议: 表示上层协议的类型，TCP/UDP.

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.这也可以解释为什么IPv4中ip是四个字节了，因为有32个比特位

选项字段(不定长, 最多40字节): 略

这里还是要解决最基本的两个问题：

1.如何解包？ (将报头和数据分离)

定长报头+自描述字段，先提取固定长度20字节的报头，再根据报头中的4位首部长度得出报头(不包含数据)的总长度(4*4位首部长度)，然后减去20字节就是选项的长度【得到报头】；然后再用16位总长度得出该数据报的总长度，减去4位首部长度得出的长度即是数据的长度【得到数据】。

即有效载荷= 16位总长度 - 4*4位首部长度。

2.如何向上交付（分用）？

根据报头中的8位协议，来决定交付给上层的TCP或者UDP.

分片

那第二行这16位标识，3位标志，13位片偏移是什么呢？

链路层由于物理特征的原因，一般无法转发太大的数据。所以链路层一般有一次可转发到网络的报文大小限制。所以我们需要对数据进行分片，分片工作是在该层网络层实现的。传输到对方网络层时，它再进行组装。即谁分片，谁组装。

所以接收方对于分片的组装、处理，会有以下四个问题需要处理：

1.如何识别不同的报文
2.如何识别报文有没有被分片
3.如何识别被分片的报文从哪里开始，从哪里结束？
4.异常处理：组装过程中，如何识别某一个分片的丢失？

所以下面的就几个字段就是来解决这些问题的.

16位标识

1.如何识别不同的报文

当我们收到很多的报文时(已经被分片)，我们如何确定哪些分片是属于同一个报文里，哪些是不同的呢？

我们想到的是：不同报文，应该标识不同；相同报文的分片，标识应该是相同的.

16位标识字段是一个16位的字段，用于标识原始数据包。当原始数据包在发送过程中需要分片时，每个分片都将包含相同的标识值，以便接收端能够识别这些分片属于同一个原始数据包。

3位标志与13位片偏移

3位标志（Flags）字段：标志字段是一个3位的字段，其中包括以下三个标志位：
- 第一个标志位（Reserved）：保留位，以后用于其他用途，目前应该设置为0。
- 第二个标志位（Don't Fragment，DF）：如果此标志位被设置为1，表示数据包不允许分片，即不能在传输过程中进行分片。如果数据包在传输过程中需要分片但DF标志被设置，那么路由器将丢弃该数据包并向源主机发送一个错误消息。
- 第三个标志位（More Fragments，MF）：如果此标志位被设置为1，表示该分片不是数据包的最后一个分片。如果被设置为0，表示这是最后一个分片。

2.片偏移（Fragment Offset）字段：片偏移字段是一个13位的字段，用于指定当前分片在原始数据包中的位置。它表示了当前分片的数据在原始数据包中的偏移量（以8字节为单位）。通过片偏移字段，接收端可以将不同分片按正确的顺序重新组装成完整的原始数据包。

例如一个24字节的数据，它会被分片为3分。第一个分片片偏移为0，第二个分片的片偏移为8，第三个分片片偏移位16.

现在可以解决一下刚才的问题：2.如何识别报文有没有被分片？

a.如果3位标志位第三位标志位为1，说明该报文一定被分片了。

b.如果3位标志位第三位标志位为0，说明该报文是最后一个分片，或者没有被分片。

如何区分呢？当3位标志位第三位标志位为0时，此时的13位片偏移不为0，说明该报文一定被分片了(因为该分片一定是最后一个，如果分片了，那么该分片片偏移一定不为0)；如果13位片偏移为0，说明这就是一个独立的报文，没有被分片。

3.如何识别被分片的报文从哪里开始，从哪里结束？

按照我们上面讲的：

如果3位标志位第三位标志位为1，而且片偏移为0，说明此时是分片的开始

如果3位标志位第三位标志位为1，而且片偏移为>0，说明此时是分片的中间部分

如果3位标志位第三位标志位为0，而且片偏移为>0, 说明此时分片是结尾

4.异常处理：组装过程中，如何识别某一个分片的丢失？

根据每个分片的偏移量进行升序排序，结合偏移量+自身大小 = 下一个报文的偏移量。

扫描整个报文如果没有与下一个报文偏移量匹配的，则说明中间一定有丢失的分片；如果可以正常计算匹配到结尾，则说明报文一定收取完整了。

分片流程

首先我们要知道，分片之前一定是一个独立完整的ip报文，分片之后，每一个分片都必须也要有一个ip报头，因为分段信息(16位标识，3位标志，13位片偏移等)都在报头中。而不可以直接进行分片，报头跟着第一个分片。

所以假设有一个16位总长度为3000字节的ip报文，而链路层MTU设置为1500字节，所以需要对数据进行分片。

首先进行第一个分片，假设16位标识为1234，它的3位标志中的更多分片必须设置为1，此时由于是第一个分片，所以片偏移为0，加上原本的报头，该ip报文16位总长度此时为1500.

接下来还剩下1500个纯数据，如果我们直接提取这1500个数据，然后再添加20字节的报头，此时ip报文总大小就成了1520了，大于链路层的最大限制的1500字节了。

所以只能提取前1480个字节，然后再添加上20字节的报头，此时16位标识为1234，它的3位标志中的更多分片 也必须设置为1，此时是第二个切片，片偏移为前ip报文的长度1500，加上新增加的报头(注意第一个分片是携带原本的报头，这个是新加的)，该ip报文16位总长度此时为1500.

由于上一层只提取了1480个字节，还剩下20个字节的数据，我们需要对这20字节的数据添加20字节的报头，此时16位标识为1234，它的3位标志中的更多分片设置为0(最后一个分片)。片偏移为上一个ip报文的长度1480 + 第一个报文的长度1500 = 2980，该ip报文16位总长度此时为40.

至于偏移量，你可以理解为计算的时候，只有第一个报头算进去，其它的报头都是新增的，长度不计入偏移量中。

但是分片操作使我们严重不推荐的，因为分片会增加丢包的概率。如何彻底结局分片问题呢，后面我们在链路层会说.

网段划分

网络号和主机号

IP地址分为两个部分：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;
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

可以在IP地址最后面加上一个 /，/ 后面加一个数字，代表从头到第几位属于网络标识(网络号).

例如192.168.128.10/24，代表从头到第24位属于网络标识，即“192.168.128”，后面的10属于主机号.

举个例子，只是假设，我们把ip前8位作为世界各个国家的ip开头，假设中国为1，美国为10；然后在中国国内，第二个8位再作为划分省的标识。例如河北省为1，北京为2，天津为3..，然后后面再按照相对应的县，市等进行比特位划分。

此时，在国家层面，1和10这些便算做网络号，即前8位，后面的24位算作主机号；然后在省的层面，1,2,3这些加上前面8位(1)一共16位便是网络号，后面16位便是主机号，以此类推.

其实，每个国家的IP地址，在开始的时候，就已经被划分好了，国际上的路由器都有自己的路由表，可以进行国家和国家的转发

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.
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.

DHCP协议

手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址，当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收，便于分配给后续新增的主机使用。

DHCP协议解决了计算机网络中的IP地址分配和配置问题, 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.

先找目标网络，再找目标主机

当数据需要从一台主机跨越网络发送到另一台主机时，通常并不是立即将数据发送到目标主机，而是将数据首先发送到目标主机所在的目标网络，然后再在该网络内部找到目标主机。

这个过程的第一步并不是寻找目标主机，而是找到目标网络。这样的设计是为了提高路由效率。如果一开始就以找目标主机为目标，那么在查找过程中每次只能排除一个主机，这样效率会很低。相反，如果首先找到目标网络，就可以一次性排除大量不在目标网络内的主机，从而显著提高检索效率。

因此，网络被划分成多个子网（也称为网段或子网络），以帮助路由器更快地确定数据包的目标位置。这种分层的方式使路由器能够更快速地决定数据包的下一跳，并将其发送到正确的网络，然后再在该网络内部找到目标主机。这种数据路由的方式被称为分层路由，它有助于提高整个互联网的性能和效率。

至于网络是如何划分的呢？

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，就是把所有IP地址分为五类，如下图所示

因此，各类IP地址的取值范围如下：

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。
当要判断一个IP地址是属于哪一类时，只需要遍历IP地址的前五个比特位，第几个比特位最先出现0值，那么这个IP地址对应就属于A、B、C、D、E类地址。

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,由于A类地址只能申请2^7个，数量比较少，所以大多数组织都申请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.

针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

CIDR划分方案

- 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

此时一个网络就被更细粒度的划分成了一个个更小的子网，通过不断的子网划分，子网中IP地址对应的主机号就越来越短，因此子网当中可用IP地址的个数也就越来越少，这也就避免了IP地址被大量浪费的情况。

        比如在某一子网中将IP地址的前24位是网络号，那么该网络对应的子网掩码的32个比特位中的前24位就为1，剩下的8个比特位为0，该掩码表示就是255.255.255.0。
        假设该子网中有一台主机对应的IP地址是192.168.128.10，那么将这个IP地址与该网络对应的子网掩码进行“按位与”操作后得到的就是192.168.128.0，这就是这个子网对应的网络号。
        实际在用子网掩码与该子网主机的IP地址进行“按位与”操作时，本质就是保留了主机IP地址中前24个比特位，将剩下的8个比特位的值清零，即将主机号清0了，所以“按位与”后的结果就是该网络对应的网络号。

第一个例子，就是将ip地址140.252.20.68的每一位按位与 255.255.255.0，最终得到140.252.20.0.

第二个同样地道理，将68最后一位转化成二进制是01000100，然后按位与240，转化成二进制是11110000，按位与时01000000，转换成16进制是40，10进制就是64，符合我们的预期

特殊的ip地址

不是所有的ip地址都可以作为主机的ip，有些ip本身都具有特殊用途。

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地址数量限制

        我们知道, 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.

        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在一定程度上提高了ip地址的利用率，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，避免了IP地址强绑定于某一台设备。
NAT技术：NAT(Network Address Translation)是一种网络技术，用于将私有网络内部的设备与公共互联网之间的通信进行管理和映射。它允许多个设备在一个私有网络中使用共享的公共IP地址与外部网络通信，同时提高了网络的安全性和管理灵活性。
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.

私有ip地址与公网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，我相信我们经常见到的就是这个开头的.

包含在这个范围中的, 都成为私有IP(内网ip), 其余的则称为全局IP(或公网IP);

当我们xshell连接云服务器时：

可以看到我的连接的云服务器的公网ip是182.42.111.236，然后一个公网下还会有很多子网，我们使用ifconfig命令可以查看。

可以看到我的内网ip是10.0.0.110，属于上面所说的10.*标准。

当然世界上还有很多和我一样是10.0.0.110的内网ip，但是我们的公网ip一定是不一样的.

同时我们可以按下Win+R，输入cmd，进入命令控制行，输入ipconfig，便可以看到我们的主机的内网ip.

一般来说，默认网关的地址都是*.1 ，即在当前子网内的主机号的第一位，它(网关)是用于连接不同网络的设备或系统。网关充当数据包从一个网络传输到另一个网络的中继点，它能够理解不同网络之间的协议和数据格式，以确保数据能够正确地转发和路由。

数据是如何发送到服务器的？

既然我们是内网ip，那么我们的数据是如何一步步发送到服务器的呢？

首先我们要知道：路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，在路由器上有两种网络接口，分别是LAN口和WAN口.

LAN口（Local Area Network）：表示连接本地网络的端口，主要与家庭网络中的交换机、集线器或自己的电脑相连。
WAN口（Wide Area Network）：WAN口是指网络设备上用于连接广域网的接口。一般指互联网。

可以说LAN口是负责本地这些网络设备的通信，而WAN口是负责对接上一层子网。

在大多数家庭和小型办公环境中，常见的路由器通常具有一个WAN口和多个LAN口。WAN口用于连接外部互联网，而LAN口用于连接局域网中的设备。WAN口通常是通过各种宽带接入技术（如光纤、DSL或同轴电缆）与互联网连接的，而LAN口通常是以太网接口，用于连接设备到局域网。

这张图可以助于大家理解，看左边这一部分，家用路由器的LAN口相当于是192.168.1.1(用于本地通信)，他们的WAN口是相当于是运营商路由器的子网10.1.1.*

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的WAN口IP就是一个公网IP了。

所以是这样将数据发送到服务器的：

由于私网IP不能出现在公网当中(因为私网IP会有很多重复的)，因此为了解决这个问题，子网内的主机在和外网进行通信时，路由器会不断将数据包IP首部中的源IP地址替换成路由器的WAN口IP，这样逐级替换，最终数据包中的源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）。

按上面的例子，假设某一台主机192.168.1.201想要访问服务器122.77.241.3.

此时发送的ip报文中，源ip地址为192.168.1.201，目的ip地址为122.77.241.3.

经过家用路由器时，将源ip替换为它的WAN口ip：10.1.1.2，目的ip为122.77.241.3.

再经过运营商路由器时，再将源ip替换为它的WAN口ip：122.77.241.2，目的ip为122.77.241.3.

此时便成功通信了，目的ip将结果返回回来时，还是先返回给122.77.241.2，然后后面是如何解决下一步去哪里的问题，是链路层要解决的问题，我们后面再说。

那两个不同局域网中主机可不可以不跨越公网通信？

两个局域网当中的主机理论上是不能不跨公网进行通信的，因为一个主机要将数据发送给另一台主机的前提是得先知道另一台主机的IP地址。
即便现在这个主机知道了另一台主机的IP地址，但有可能这两台主机的IP地址是一样的，因为它们的IP地址都是私网IP地址。
当这一台主机发送数据时将目的IP地址填成和自己相同的IP地址，操作系统就会认为这个数据就是要发给自己的，而不会向外进行发送了。

所以数据要从一个局域网主机发送到另一个局域网主机，如果不经过公网是基本上不可能的。我们在和别人聊天的时候，也不是直接将数据从一个局域网直接发送到了另一个局域网，而是先将数据经过公网发送到了服务器，然后再由服务器将数据经过公网转发到了另一个局域网。

但现实确实存在一些技术能够使数据包在发送过程中不进行公网IP的替换，而将数据正确送到目标主机，这种技术叫做内网穿透，也叫做NAT穿透。

路由转发

路由的过程, 就是“数据问路”的过程.
数据在路由的过程中，是一跳一跳经过路由器到达目的主机的。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或子网;
依次反复, 一直到达目标IP地址(主机).

针对于第二点，会有三种情况

路由器经过路由表查询后，得知该数据下一跳应该跳到哪一个子网。

路由器经过路由表查询后，没有发现匹配的子网，此时路由器会将该数据转发给默认路由。

路由器经过路由表查询后，得知该数据的目标网络就是当前所在的网络，此时路由器就会将该数据转给当前网络中对应的主机。

举个例子，假设你第一次到了某个地方，假设你想要去寻找河北大学，此时下了火车站，钱包什么的也被偷了，迫不得已，只能先找个人问路，那个人说先到前面那个十字路口然后左转再问别人，此时这个人相当于一个路由器，他告诉你下一跳的位置（并不是目的位置）。由于我们的目的位置是学校宿舍，所以相当于决定是发送给了下一个路由器。所以到了十字路口左转后，然后又问了一个人，那个人说，不用找了，前面就是河北大学，然后你要找的宿舍是进门左转就看到了，这样相当于是路由器 直接发送给目标主机了。而不用继续发送给下一个路由器了。

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。

路由表查询的过程

路由表可以使用route命令查看

由于这是个人电脑，不是路由器，所以展示的不是很完全。

其中：

Destination 代表的是目的网络地址。
Gateway 代表的是下一跳地址。
Genmask 代表的是子网掩码。
Flags中，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。如果G标志未设置，则下一跳地址被认为是数据包要到达的目标主机的地址。

H标志： 这个标志指示路由项是用于特定主机的，而不是用于整个网络或子网。当H标志置位时，路由器会将数据包直接发送到指定的目标主机，而不需要进一步进行路由选择。这种路由项通常用于处理特定主机的数据包，以提供更精确的路由。

Iface代表的是发送接口。
当IP数据包到达路由器时，首先将报头中的目的IP地址和子网掩码Genmask进行“按位与”操作，然后将得到的结果与目的网络地址Destination 作比较，如果匹配则说明该数据包下一跳就应该跳去这个子网，此时就会将该数据包通过对应的发送接口Iface发出。

如果整个路由表都没有结果与其匹配，即没有找到匹配的目的网络地址，此时路由器就会将这个数据包发送到默认路由，也就是路由表中目标网络地址中的default。可以看到默认路由对应的Flags含有G标志，实际就是将该数据转给了另一台路由器，让该数据在另一台路由器继续进行查找路由。

这样数据包经过不断地路由后，便达到了目标主机所在的网络，然后根据主机号进行路由，便能到达目标主机了。

举个例子：

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：

转发过程例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,不需要经路由器转发

转发过程例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

此时数据的在网络中是如何解决下一跳位置的问题便解决了，那么具体是每一条是如何做到的呢？我们下一章数据链路层便会详细介绍。