【Linux】网络层协议IP

目录

一、网络层

二、IP协议

[2.1 基本概念](#2.1 基本概念)

[2.2 协议头格式](#2.2 协议头格式)

[2.3 网段划分](#2.3 网段划分)

[2.4 特殊的IP地址](#2.4 特殊的IP地址)

[2.5 IP地址的数量限制](#2.5 IP地址的数量限制)

[2.6 私有IP地址和公网IP地址](#2.6 私有IP地址和公网IP地址)

[2.7 尝试理解公网](#2.7 尝试理解公网)

[2.8 路由](#2.8 路由)

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一、网络层

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

二、IP协议

2.1 基本概念

主机：配有IP地址，也要进行路由控制的设备。

路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制。

节点：主机和路由器的统称。

2.2 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32位bit，也就是length 4的字节数。5bit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（以弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置位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，那么每一片里面的这个id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0，其他分片置为1，类似于一个结束标志。
• 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的哪个位。实际偏移的字节数是这个值 * 8得到的。因此，除最后一个报文之外，其他的报文长度必须是 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。这个字段主要用于出现防止路由循环。
• 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，最大40字节）：略。

我们通过一个例子简单了解一下两个IP之间如何通信的：

• 假设一个学校有6个学院，分别是下图6个：

• 这6个学院的编号依次为：01、02、03、04、05、06。
• 这个学校的学生编号为6位数：前两位是学院编号，后三位是该学生在学院的编号。

• 每个院都有一个院学生会，也就每个院都有一个院学生会主席，其中计算机学院学生会主席学号是01110，机械学院学生会主席学号是06120。
• 所有的院学生会主席共同建了一个校群，方便互相沟通。

• 有一天，机械学院的李四捡到了一个钱包，里面有一张学生证：学号：01123，姓名：张三。
• 李四并不知道这个人是哪个学院的，但知道本院的学生会主席知道，所以将学生证信息发给了本院的主席06120，并将自己的电话也交给了06120，方便丢失张三找到自己。

• 06120看到学号以01开头，知道是计算机学院的学生，然后就通过校群联系了01110，将信息发给了01110。
• 01110通过后面三位数字，联系到了这位张三的学生，将李四的信息告诉了张三。张三通过李四的电话找到李四，建立了联系，拿回了自己的钱包。

2.3 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。

• 不同的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，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其他主机重复。

那么合理设置网络号和主机号，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。

• 有一种技术叫DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免手动管理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。

过去曾提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为5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Inetnet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显现出来，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类就浪费了大量地址。

• 例如，申请一个B类地址，理论上一个子网能够允许6万5千多台主机。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地址都被浪费了。

针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR（Classless Interdomain Routing）（无类别域间路由）。

• 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。
• 网络号与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。

2.4 特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成了网络号，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.*的地址用于本机回环（loop back）测试，通常是127.0.0.1。

：

2.5 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43亿的主机能接入网络吗？

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地址不一定相同。
• 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，彼此互不兼容。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。

2.6 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地址都行，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16777216个地址。
• 172.16.*到172.31.*，前12位是网络号，共1048576个地址。
• 192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址。

包含在这个范围中的，都称为私有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的一个节点，这样的运营商路由器可能有很多级，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，这种技术成为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，就需要把服务器部署在一台具有公网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。

地区或者国家IP的分布

2.7 尝试理解公网

真实的网络结构非常复杂，即涉及到划分公网IP的组织，ICANN，还要在全球范围内进行区域划分，比如亚太，北美，欧洲等，又要考虑到国家内部的ISP代理，整体拓扑非常复杂，我们简化所有过程，简单理解公网即可。

2.8 路由

在复杂的网络结构中，找到一条通往终点的路线。

路由的过程，就是一跳一跳"问路"的过程。

所谓"一跳"就是数据链路层中的一个区间，具体在以太网指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

IP数据包传输过程也就和问路一样：

• 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。
• 以此反复，一直到达目标IP地址。

• 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的其他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送给下一跳地址。

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网路。
• 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

• 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标主机，不需要经过路由器转发。

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做与操作得到网络号并作对比，发现都不匹配。
• 按缺省路由条目，从eth0接口发送出去，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的地址。