网络基础（三）——网络层

IP协议

1、基本概念

2、协议头格式

2.1、报头和载荷如何有效分离

2.2、如果超过了MAC的规定，IP应该如何做呢？

2.3、分片会有什么影响

3、网段划分

4、特殊的ip地址

5、ip地址的数量限制

6、私有ip地址和公网ip地址

7、路由

IP协议
网络层解决的问题是将数据从一台主机送到到另一台主机，即在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

ip = 目标网络 + 目标主机（在构建网络的时候，为我们将来高速定位一台主机，提供了基础保障）

1、基本概念
· 主机：配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备;

· 路由器：即配有IP地址, 又能进行路由控制;

· 节点：主机和路由器的统称;

2、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。
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。
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 -= 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

2.1、报头和载荷如何有效分离
这里和tcp一样，4为首部长度表示报头的大小，范围为20-60字节，那么我们先提取前20个字节，提取4位的首部长度，判断有没有选项，所以IP协议是通过定长和自描述字段可以将报头和有效载荷分离。

2.2、如果超过了MAC的规定，IP应该如何做呢？

前面说到了tcp要想做到100%可靠的传送给对面的前提是：你一定要有一个将数据传能发送到对方的能力。而IP要想跨网络传输也需要一个前提：把报文从一台主机送到和自己直接相连的下一台主机。这个能力是由mac帧，也就是数据链路层提供的。

所以对于上面的主机B来讲，和这个路由器F是直接相连的，而任意两个直接相连的主机一定是在同一个局域网中。所以其实数据链路层解决的其实是局域网通信的问题。

其中mac帧有一个规定：ip交下来的数据要受mac携带的有效载荷最大长度的影响，而且我们知道，有效载荷最大长度一定是ip交给mac的，既然是ip交给它的，那么其中就会涵盖ip报头+ip的有效载荷。而这个值就是mtu(max transfer unit最大传送单元)，常规的就是1500字节。

所以ip在向下交付自己的报文，让mac帧去做下一个跳转的时候最大有效载荷长度不能超过1500字节，这就是规定。

如果超过了规定，要么IP就别发了，要么IP就要分片，而其中分片不算必须做的，因为你可以不传超过1500字节的数据。在网络通信的时候，不分片是常态，因为分片会引发很多潜在的问题。

首先我们要明确，既然分片了，那么到了对端就必须要组装。而且要组装正确，不能发过去一个数据，因为分片了，组装后又是另一种，所以从分片到组装当中传递时会携带相应的属性信息，换言之，属性信息在那个协议上，那么就由哪个协议完成分片和组装，所以刚刚说的都是由IP协议自己完成的。

2.3、分片会有什么影响
分片过多会导致丢包的概率增多，任何一个包丢了，都代表此处的传输有问题。

16位标识用来标识IP报文有没有进行分片。

13位分片偏移是分片相对于原始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。

3位的标志第一位没用，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。

所以提取出分片的报文，根据16位标识，聚合"所有的"分片报文。

根据片偏移进行升排序来判断丢没丢包，如果第一个丢了，则用第一个片偏移是不是从0开始的。

根据更多分片最后是否为0，保证多个分片报文全部收到了。

当然上面的保证都不是只单单通过一个对应一个的保证的，而且它们三个相互作用而保证的。

当然报文是有可能丢失的，而且我们可以根据这三个标志位来判断是哪几个丢失了。

我们在上面说的时候其实是有一个漏洞的，这就是如果一个报文分片后，只有最后一片丢了，也就是"更多分片"最后不是0，但是紧接着下一个就是没有分片的报文，此时它的"更多分片"是0，这又怎么区分报文丢没丢呢？其实很简单，因为如果没有丢，那么它的片偏移肯定不是0，如果是0那么这个肯定就是没有分片的报文。

总结：根据3位标志的更多分片来看是否被分片，根据16位标识将所有分片的报文聚合在一起，根据13位片偏移进行排序，然后再根据更多分片来决定我们是否收到的最后一个报文，再根据13位片偏移来决定中间是否丢包，如果上面的操作没有任何问题，那么将上面的报文合并成一个报文完成拼接的功能。

3、网段划分
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;

子网其实就是把网络号相同的主机放在一起，如果在子网中新增一台主机，那么这台主机的网络号要和子网的网络号相同，但是主机号不能和同一子网内的主机重复，如图：

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。

过去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, 如下图所示(该图出自[TCPIP])。

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;

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;

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。

4、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

5、ip地址的数量限制
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。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;

6、私有ip地址和公网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 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);

· 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。

7、路由
路由其实就是在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;

路由的过程, 就是一跳一跳(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。

1、当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;

2、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;

3、依次反复, 一直到达目标IP地址;

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。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

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;

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

1、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

2、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;

3、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

1、依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配;

2、按缺省路由条目, 从eth0接口发出去, 发往192.168.10.1路由器;

3、由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址;
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