【Linux网络编程】网络层协议：IP

IP协议

IP协议全称为"网际互连协议（Internet Protocol）"，IP协议是TCP/IP体系中的网络层协议。

基本概念

网络层解决的问题

虽然TCP协议制定了保证数据可靠性和效率的"传输策略"，但真正负责数据在网络中实际"搬运"工作的，是底层的网络层与链路层。

网络通信并非在双方传输层之间直接发生，而是遵循"垂直封装---水平传输---垂直解包"的流程：发送方将数据向下交付，层层封装；接收方收到后向上交付，层层解包。

这就好比两位住在不同大楼4层的人互送文件：

1. 下楼（数据封装）：发送者必须先从4楼下到1楼；

2. 赶路（数据路由）：在街道上规划路径，抵达对面楼下；

3. 上楼（数据解包）：最后上到4楼将文件交给接收者。

网络层要解决的问题就是，将数据从一台主机送到另一台主机，也就是数据的路由。

路径选择

数据进行跨网络传输时，必须经过多个路由器的中转。

路由的核心在于基于目的地寻找最优路径。由于数据包本身无法自主导航，它必须依赖路由器进行逐级指引。

路由器通过查询自身的路由表，为数据包提供正确的路径导向。通过不断地在路由器间进行转发和路径修正，数据包才能逐渐趋近并最终送达目标主机。

主机和路由器

• 主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。但实际现在几乎不存在不进行路由控制的设备了，就连你的笔记本也会进行路由控制。
• 路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制。实际现在主流的路由器已经不仅仅具有路由的功能了，它甚至具备某些应用层的功能。
• 节点：主机和路由器的统称。

IP协议格式

IP协议格式如下：

• 4位版本号（version）：指定IP协议的版本（IPv4/IPv6），对于IPv4来说，就是4。
• 4位首部长度（header length）：表示IP报头的长度，以4字节为单位。
• 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。比如对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要，而对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
• 16位总长度（total length）：IP报文（IP报头+有效载荷）的总长度，用于将各个IP报文进行分离。
• 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片对应的id都是相同的。
• 3位标志字段：第一位保留，表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。第三位表示"更多分片"，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，则除了最后一个分片报文设置为0以外，其余分片报文均设置为1。
• 13位片偏移（framegament offset）：分片相对于原始数据开始处的偏移，表示当前分片在原数据中的偏移位置，实际偏移的字节数是这个值× 8 \times 8×8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位首部检验和：使用CRC进行校验，来鉴别数据报的首部是否损坏，但不检验数据部分。
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端所对应的IP地址。
• 选项字段：不定长，最多40字节。

IP报头在内核当中本质就是一个位段类型，给数据封装IP报头时，实际上就是用该位段类型定义一个变量，然后填充IP报头当中的各个属性字段，最后将这个IP报头拷贝到数据的首部，至此便完成了IP报头的封装。

IP报头与有效载荷的分离机制

IP采用与TCP相同的**"定长报头 + 自描述字段"**策略来进行解包，具体步骤如下：

• 提取固定头部 ：IP层首先从报文中读取前 20字节。这是所有IP报文都必须具备的基本报头。

• 读取长度字段 ：从这20字节中提取 4位首部长度 。该字段以 4字节 为单位描述报头大小。

• 计算与分离：

  • 标准情况：如果该字段值为 5（即二进制 0101），则报头长度为 5 * 4 = 20 字节，意味着没有选项字段，剩下的即为有效载荷。

  • 带选项情况：如果该字段值大于 5，则计算出总报头长度（最大为15 * 4 = 60 字节）。IP需继续读取剩余的选项字段，读取完毕后剩余部分即为有效载荷。

上层协议的分用（交付）策略

IP层支持多种传输层协议（如TCP、UDP等），因此在解包后必须精准判断将数据交付给谁。这一决策完全依赖于IP报头中的 8位协议 (Protocol) 字段 ：

• 标记机制：发送端的IP层在封装数据时，会根据上层传来的数据类型（如TCP或UDP），在该字段中填充对应的协议编号。

• 分发机制：接收端的IP层在解包时，读取这8位协议字段的值。如果值为TCP的编号，则将有效载荷交付给TCP层处理；反之则交付给对应的其他协议。

源IP与目的IP的核心作用

IP报头中包含的 32位源IP地址 和 32位目的IP地址 ，在通信全过程中扮演着不同的角色：

• 目的IP地址（导航路标）：这是数据传输的终点标识。网络中的路由器主要依赖目的IP地址来查找路由表，决定数据的下一跳方向，从而确立从源主机到目标主机的传输路径 。

• 源IP地址（响应凭证） ：这是数据发送方的标识。它的主要作用是让接收端知道"是谁发来的数据"。这不仅用于身份识别，更是接收端构建响应报文（如TCP的ACK确认或回传数据）的必要依据，确保双向通信的闭环。

理解socket编程：

• 在进行socket编程的时候，当一端想要发送数据给另一端时，必须要指明对端的IP地址和端口号，也就是发送数据的目的IP地址和目的端口号。
• 其中这里的IP地址就是给网络层的IP用的，用于数据在网络传输过程中的路由转发，而这里的端口号就是给传输层的TCP或UDP用的，用于指明该数据应该交给上层的哪一个进程。
• 发送数据时我们不需要指明发送数据的源IP地址和源端口号，因为传输层和网络层都是在操作系统内核当中实现的，数据在进行封装时操作系统会自行填充上对应的源IP地址和源端口号。

8位生存时间

在复杂的网络环境中，报文可能因路由环路或目标主机不可达而无法送达，从而演变成占用带宽的"僵尸报文"。为了防止此类废弃报文在网络中无限循环，IP协议头设计了 8位生存时间字段 。

该字段定义了报文在网络中允许经过的最大路由跳数。报文每经过一个路由器进行转发，TTL值便会自动减 1。一旦 TTL 值递减至 0，该报文将被路由器直接丢弃 。这一机制有效地从网络中清除了无效流量，防止了资源耗尽。

网段划分

IP地址可以看作是"街道名 + 门牌号"的组合

区分区域（网络号）：用来标识不同的网段（街道）。如果路由器连接了两个不同的网段，这两个网段必须拥有不同的网络号，以示区分 。

区分个体（主机号）：用来标识同一网段内的不同设备（门牌）。在同一个网段内，大家的网络号都是一样的，但必须拥有互不冲突的主机号 。

我们通常在IP后面加上 /N，用来告诉机器：这个IP地址的前 N 位是它的"街道名"（网络号）。当我们把一台新电脑接入子网时，必须确保它的"街道名"是对的，且"门牌号"没被别人占用 。

DHCP协议

手动管理IP地址是一项极低效的工作：既要为新入网的主机分配地址，又要及时回收离线主机的IP以供循环使用 。为了解决这一痛点，DHCP (动态主机配置协议) 应运而生。

• 核心功能：DHCP主要应用于大型局域网，负责集中管理并动态分配IP地址、网关及DNS服务器地址，从而极大地提升了IP地址的利用率 。
• 技术实现：它是一个基于UDP的应用层协议。在日常生活中，一般的路由器都内置了DHCP功能，因此路由器本身就是一个DHCP服务器 。

当你连接WiFi时，通过密码验证仅仅是第一步。随后，路由器的DHCP服务会在后台为你动态分配一个IP地址，这才是你能正常上网的根本原因 。

路由策略：先找网络，再找主机

数据在进行跨网络传输时，遵循"先宏观定位网络，后微观定位主机"的逻辑。

• 分层查找 ：数据的投递并不是一步直达目标主机。路由器首先会将数据发送到目标主机所在的目标网络，到达该网络后，再进一步寻址找到具体的主机。

• 效率至上：之所以不一开始就搜索具体主机，是因为效率太低。

  • 排除法逻辑：找主机的本质是一个排除过程。如果直接在全网范围找主机，一次只能排除一个错误选项。

  • 网段的作用：通过"先找网络"，系统可以一次性排除掉所有非目标网段的海量主机。

这就是我们需要进行网段划分的根本原因------利用"批量排除"来大幅提高数据路由的检索效率。

IP地址的分类体系

早期互联网采用了一种固定的分层方案，将所有IP地址划分为五大类（A、B、C、D、E类）。判断一个IP地址属于哪一类，只需检查其二进制形式的前5位，看第几位最先出现"0"值即可。

具体分类与取值范围如下：

• A类 （首位为0）：范围 0.0.0.0 到 127.255.255.255 。
• B类 （前两位10）：范围 128.0.0.0 到 191.255.255.255 。
• C类 （前三位110）：范围 192.0.0.0 到 223.255.255.255 。
• D类 （前四位1110）：范围 224.0.0.0 到 239.255.255.255（用于多播） 。
• E类 （前五位11110）：范围 240.0.0.0 到 247.255.255.255（保留实验） 。

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。

子网划分与CIDR技术

上述分类面临的问题： 随着网络发展，分类方案的僵化导致了严重的资源浪费。例如，A类网络太少（网络号仅7位），而B类网络太大（主机号16位，允许65536台主机）。现实中很少有局域网能填满B类网络，申请B类地址往往意味着大量IP被闲置浪费 。

解决方案： 为了解决浪费，引入了 CIDR (无类别域间路由) 技术。它打破了固定的类別限制，通过借用主机号的位来充当网络号，从而实现更细粒度的子网划分 。

子网掩码： 为了区分哪部分是网络号，引入了子网掩码。它是一个32位整数，由一串连续的"1"后跟一串"0"组成 。

• 计算方法：将 IP地址 与 子网掩码 进行 按位与 (&) 操作，即可得到网络号 。
• 本质：这一操作保留了IP地址中网络号部分的位，并将主机号部分的位全部清零。

路由视角的层级变化： 子网划分是可以递归进行的。数据在路由过程中，随着其深入更具体的子网，匹配的网络号位数会不断增加（即子网掩码变长），而主机号位数相应减少。当数据最终到达目标网络时，网络号长度达到最大，路由器利用剩余的主机号精确定位目标主机，完成传输。

特殊的IP地址

并不是所有的IP地址都能够作为主机的IP地址，有些IP地址本身就是具有特殊用途的。

• 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。

也就是说，IP地址中主机号为全0的代表的是当前局域网的网络号，IP地址中主机号为全1的代表的是广播地址，这两个IP地址都是不能作为主机的IP地址的。因此在某个局域网中最多能存在的主机个数是 2^主机号位数 − 2

本机环回 (Loopback) 的核心机制

基本定义： 本机环回是指数据在网络协议栈中走了一圈然后返回。数据会自顶向下完整经过协议栈进行封装，但在IP层被折回，不再向下进入物理网卡，而是直接自底向上再次贯穿协议栈进行解包。

目的：主要用于测试本机网络协议栈的功能是否正常。

底层实现原理： 环回的本质是IP输出函数与IP输入函数的直接对接 。

• 当IP层准备发送数据时，如果检测到是环回程序：IP输出函数会将该数据直接写入IP输入队列。
• IP输入函数随后从该队列读取数据。此时，数据被伪装成"从链路层收到的数据"，进而触发后续的解包和分用流程。

IP层的发送逻辑判断： 不是所有数据都会走网卡，IP层会按以下优先级处理数据流向：

• 情况A（环回程序）：直接放入IP输入队列 。
• 情况B（广播/多播/发给自己）：如果目的IP是广播/多播地址，或与本机IP一致，同样放入IP输入队列 。
• 情况C（发往外部）：只有非环回且非本地的数据，才会调用ARP获取MAC地址，并通过网卡真正发送到网络中 。

IP地址的数量限制

IPv4地址枯竭的必然性

IPv4协议的物理极限决定了其总容量仅为 43亿 个地址。然而，TCP/IP协议强制要求每一台入网的主机都必须拥有独立的IP地址，这导致了严重的供需矛盾：

• 需求爆炸：全球70多亿人口带来的智能设备浪潮，加之智能家居（冰箱、洗衣机等）和物联网设备的普及，使得入网设备数量远超43亿 。
• 非线性消耗：IP地址消耗并非与设备数1:1对应。单台主机可能配置多个IP，且网络中的大量路由器、网关设备也需占用IP，加之部分特殊地址（如环回、广播）无法分配，实际可用地址更为稀缺 。
• CIDR的局限：虽然CIDR（无类别域间路由）通过子网划分提高了地址利用率，有效遏制了浪费，但它只能"节流"，无法从根本上突破IPv4地址总量的物理上限 。

应对策略：缓解与根本解决

面对IP地址不足，目前主要采取以下三种技术手段：

• 动态分配：放弃一机一号的强绑定模式。只为当前接入网络的设备分配IP，设备离线即回收。这意味着同一个MAC地址在不同时间上网时，获取的IP地址可能不同，从而通过循环利用提高了资源周转率 。
• NAT技术 (网络地址转换)： 这是一种复用策略。它允许不同局域网内部使用相同的私有IP地址，通过路由器对外映射公网IP。NAT不仅极大节省了公网IP资源，还因隐藏了内部网络结构，起到了防御外部攻击的安全屏障作用 。
• IPv6 ： 通过将地址长度扩展至 128位，IPv6提供了近乎无限的地址空间。然而，IPv6并非IPv4的简单补丁，二者互不兼容。由于升级成本和兼容性问题，目前IPv6尚未完全普及 。

私网IP地址和公网IP地址

私网IP的定义与标准

虽然理论上任何IP地址都可用于组建内部局域网，但为了避免与互联网地址冲突，RFC 1918 协议明确规定了局域网专用的"私有IP地址"范围 。凡是处于以下范围内的IP均为私网IP，其余则被称为公网IP（或全局IP）：

• 10.*.*.* ：前8位为网络号。包含约 1677万 个地址（适合大型网络）。
• 172.16.*.* ~ 172.31.*.* ：前12位为网络号。包含约 100万 个地址 。
• 192.168.*.* ：前16位为网络号。包含约 6.5万 个地址（最常见的家用/小型网络）。

公网IP与私网IP的实际应用差异

我们在使用云服务器时，通常会遇到两种IP地址：

• 连接时：我们通过SSH连接的IP是公网IP，这是云服务器对外提供访问的"门牌号" 。

• 内部接口 ：云厂商（如腾讯云）通常会在内部网络使用私有IP。例如，虽然你连接的是公网IP，但服务器内部实际配置的IP可能是 172.21.0.15，这正好属于第二类私网地址范围。

如何查看本机的私网IP

我们可以通过命令行工具查看当前设备的网络接口配置：

Linux系统 (ifconfig)：

• lo (Loopback)：本地环回接口，用于本机测试 。

• eth0 ：物理网络接口，显示的通常是私网IP（例如云服务器上的 172.21.0.15）。

Windows系统 (ipconfig)：

• 在cmd窗口运行此命令，通常会看到大量以 192.168 开头的地址，这正是路由器分配给局域网设备的经典私网IP。

数据的逐级跃迁：NAT与路由器接口

路由器作为连接网络的枢纽，拥有两种关键接口：连接本地设备的 LAN口（子网IP）和连接外部网络的 WAN口（外网IP）。

数据从电脑发送到公网服务器的过程，实际上是一个层级递进的过程：

• 层级结构：我们的电脑连接家用路由器，家用路由器又是运营商路由器的子网节点，运营商路由器可能还有多级，直到最外层的WAN口拥有真正的公网IP 。
• NAT技术 (网络地址转换)：由于私网IP不能在公网路由，数据包在向外发送时，每经过一级路由器，路由器都会将数据包头部的源IP地址替换成该路由器WAN口的IP地址 。
• 结果：通过这种逐级替换，数据包的源IP最终变成了公网IP，从而能够在互联网上被正确传输和返回。

为什么私网IP不能出现在公网当中？

私网IP被设计为仅在局域网内部使用，严禁出现在公网路由中，主要基于以下逻辑：

• 唯一性冲突：公网通信的基础是IP地址的全球唯一性。由于不同的局域网（如你家和我家）可以自由复用相同的私网IP（如都是192.168.1.1），如果在公网上使用这些IP，路由器将无法区分目标到底是谁。
• 缓解地址枯竭：这种"复用"机制恰恰是其优势。允许无数个局域网重复使用相同的私网IP空间，极大地缓解了IPv4地址不足的压力 。
• 运营商管控：数据必须经过运营商的网关进行NAT转换才能上网，这也确保了网络接入的可管理性（即"交网费"的凭证）。

跨局域网通信的"中间人"模式

两个位于不同局域网的主机（例如两台手机聊天），理论上无法直接"点对点"通信，原因在于：

• 地址不可达：你无法直接向对方的私网IP发送数据。
• 地址混淆：如果对方的私网IP和你一样（都是192.168.1.5），你的操作系统会误以为这是发给自己的数据，直接在本地拦截，不会发往网络。

因此，现代网络通信（如微信、QQ）通常采用服务器中转模式：

• 发送方将数据经过公网发送到具有公网IP的服务器 。
• 服务器接收后，再将数据转发给接收方所在的局域网。

注：虽然存在内网穿透技术可以实现类似直连的效果，但标准通信主要依赖公网服务器中转。

路由

数据在网络中的传输并不是一步直达的，而是一个一跳一跳的"问路"过程。

什么是"一跳"？

• 它指的是数据链路层中的一个传输区间 。
• 在以太网中，具体指从源MAC地址到目的MAC地址之间的这段距离。

路由器的决策逻辑： 每当IP数据包到达一个路由器，路由器会检查其目的IP地址 ，并根据路由表决定下一步怎么走。通常有三种结果：

• 下一跳子网：查询到明确的匹配子网，告知数据包去往下一个具体的路由器 。
• 默认路由：查不到匹配的子网，将数据包"甩"给默认路由，让下一台路由器去操心 。
• 直连投递：发现目标网络就是当前所在的网络，直接将数据交给目标主机 。

路由表查询的具体算法

路由器"认路"的核心在于内部维护的路由表 ，在Linux中可以通过 route 命令查看。

路由表关键字段如下 ：

• Destination：目的网络地址。

• Gateway：下一跳地址。

• Genmask：子网掩码。

• Iface：发送接口（数据从哪个口出去）。

• Flags：

  • U (Up)：条目有效

  • G (Gateway)：下一跳是路由器。如果没有 G，说明是直连网络，不需要通过路由器转发

查询算法

• 运算：路由器将数据包的 目的IP 与路由表中每一行的 Genmask 进行"按位与" (&) 操作
• 比对：将运算结果与该行的 Destination 进行比对 。
• 命中 ：如果一致，说明匹配成功，通过对应的 Iface 发送出去。
• 兜底：如果所有条目都不匹配，则发送给 default (默认路由) 。

最终交付： 数据不断经过路由器转发，一旦到达目标网络，就不再看网络号，而是根据主机号直接定位并交付给目标主机。

路由表生成算法

路由可分为静态路由和动态路由：

• 静态路由：是指由网络管理员手工配置路由信息。
• 动态路由：是指路由器能够通过算法自动建立自己的路由表，并且能够根据实际情况进行调整。

路由表相关生成算法：距离向量算法、LS算法、Dijkstra算法等。