Linux(12)(上) - 技术栈

一.IP知识引入

引入：

IP协议的本质工作是：提供一种能力，将数据跨网络从主机A送到主机B！

但用户真正需要的是：提供一种能力，将数据可靠地跨网络从主机A送到主机B 。而IP协议只负责尽力而为地传输 ，不保证可靠性、不保证顺序、也不保证不重复。

而我们之前学习 TCP 时所说的"C → S"通信，其实是逻辑上的端到端视角 ；而真实传送数据的时候是从上往下封装 ，然后发送给对方，然后对方再从下往上解包！ 讲这个的主要原因就是说网络层它是封装应用层、传输层处理的内容 ，因为有了传输层TCP的帮助才能实现将数据可靠地跨网络从主机A送到主机B

前置知识：

**IP种类：**私有IP，公网IP

IP组成：目标网络 + 目标主机（因此所有计算机就要有IP地址）

二.IP相关知识

2.1 IP格式

基础知识讲解：

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：**和TCP那个一样的概念

8位服务类型： 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，如今多基于 DSCP 做 QoS 策略。

16位总长度: IP数据包整体占多少个字节（包括报头和数据）

8位生存时间(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**Internet Checksum（网际校验和）**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。

重要问题：

**报头和有效载荷如何分离：**固定长度（20）+ 自描述字段（16位总长度）

**如何将有效载荷交付给上层：**8位协议

编写socket需要IP+端口，其中端口是给传输层，而IP是给网络层

2.2 网络划分

1.引入：

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

要点：

路由器本质也是一个子网的设备，所有需要网络通信的设备其实都要ip地址（路由器可以配置多个IP，且需要配置2个以上的ip地址）

路由器一定至少要连接2个子网，路由器也就相当于同时在两个子网。

路由器一般是子网中的第一台设备，一般他的IP地址都是:网络号.1

**路由器功能：**ip报文的转发，连接存在的子网（局域网）

2.网络划分：

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

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。

3.CIDR：

CIDR （无类别域间路由，Classless Inter-Domain Routing）
采用 "IP地址/前缀长度" 的表示法（如 192.168.1.0/24），允许网络前缀长度任意指定 ，从而彻底摆脱了传统的 A/B/C 类地址的固定划分限制。

子网掩码也是一个32位的正整数

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

4.特殊IP地址

将 IP 地址中主机部分的所有位设为 0 ，得到的地址称为 网络地址 （或网络号），用于标识一个子网本身。

将 IP 地址中主机部分的所有位设为 1 ，得到的地址称为 受限广播地址 ，用于向该子网内的所有主机发送数据包。

整个 127.0.0.0/8 地址块 （即 127.0.0.0 ～ 127.255.255.255）都保留用于本机环回测试；

2.3 私有IP地址和公网IP地址

1.私有IP地址介绍

10.0.0.0～10.255.255.255

172.16.0.0 ～ 172.31.255.255

192.168.0.0 ～ 192.168.255.255

其余IP皆为公网IP

2.对运营商的了解

用户通过互联网服务提供商 （ISP，即"运营商"）接入 Internet。在光纤宽带等常见家庭接入场景中，光猫（ONT，一种专用调制解调器）负责将光纤中的光信号转换为标准的以太网数字信号 ；随后，路由器接收该数字信号，完成内网 IP 分配、NAT 转换和路由转发，使多台设备共享上网。

3.路由器的两类账号密码

Wi-Fi 名称与 Wi-Fi密码

用于家庭无线设备连接，与运营商无关，可自行设置。

运营商认证凭证

通常是 PPPoE 账号/密码（由运营商提供，印在工单或路由器背面）；用于向 ISP 证明"你是合法用户"，完成身份认证后才能获得公网 IP 并上网；是你办理宽带时分配的唯一账户。

4.访问数据的场景讲解

一个路由器至少配置两个IP地址分别是： WAN口IP，LAN口IP(子网IP)。

路由器LAN口连接的主机, 都属于当前这个路由器的子网。

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IP地址不能重复。但是不同子网的IP地址可以重复了

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一定是一个公网IP了。

子网主机访问外网时，家用路由器先做 NAT，将源 IP（如 192.168.1.100）替换为 WAN 口 IP。

若 WAN 口是公网 IP，则直接进入运营商网络；

若 WAN 口不是公网IP，运营商边缘设备会再次 NAT ，将其映射为公网 IP。 原始私有 IP（192.168.x.x）不会离开家庭网络。

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。

我们上网时，报文通过运营商网络转发至目标服务器。如果访问外网被阻断，通常是因为运营商根据国家监管要求或自身策略，对特定流量实施了过滤或路由限制（这就是所谓的墙）

2.4 路由

路由引入：

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，就是这样一跳一跳（Hop by Hop）"问路"的过程。所谓"一跳"，指的是网络层中从一个路由器到下一个路由器（或最终主机）。

在以太网中，每一跳的数据传输由数据链路层负责，通过源 MAC 地址与目的 MAC 地址完成帧的交付。

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，路由器会先查看其目的IP地址；

路由器根据自身的路由表 判断：如果目的IP属于本地直连子网 ，则直接通过ARP获取目标主机的MAC地址，并将数据帧发给它；否则，将数据包转发给下一跳路由器（即路由表中指定的下一跳网关）；

此过程在每一跳重复进行，直到数据包最终抵达目标主机所在的网络并被交付。

路由表中通常包含一条 缺省路由 （0.0.0.0/0），当目的地址与所有其他路由条目都不匹配时，就使用缺省路由将数据包发往默认网关 ------即与本机处于同一子网的三层设备（如家用路由器、三层交换机）。

要点：

实际上，在一台主机中，IP 层并不会直接把报文"发出去"，而是将 IP 数据包交给下一层------数据链路层。

而数据链路层受限于物理介质和网卡硬件，无法传输任意大的帧 ，因此定义了最大传输单元（MTU，如以太网默认为 1500 字节）。

这就要求上层（IP 层）不能交付超过 MTU 的数据包；若上层协议（如 TCP）试图发送过大的数据，IP 层会进行分片（或由 TCP 自行控制段大小，避免分片）。

所以，TCP 滑动窗口虽然可以累积大量数据，但实际发送时仍需按 MSS （Maximum Segment Size），而 MSS 正是由 MTU 减去 IP 和 TCP 首部长度决定的------根源正是数据链路层的硬件限制 （如网卡和以太网标准）。

2.5 IP报头剩余介绍

**16位标识(id)：**唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文在网络层层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的

3位标志字段: 保留处理 。中间（DF）为1表示禁止分片（0是允许分片） ，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。后（MF）表示"更多分片", 如果分片了的话，最后一个分片置为0, 其他是1。类似于一个结束标记

**13位分片偏移：**是相对于原始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）

原始 IP 报文：20B 首部 + 3000B 数据

→ 分片1：20B 首部 + 1480B 数据（偏移=0，MF=1）

→ 分片2：20B 首部 + 1480B 数据（偏移=185 → 1480/8=185，MF=1）

→ 分片3：20B 首部 + 40B 数据（偏移=370 → 2960/8=370，MF=0）

分片的相关知识：

如何组装： 接收端根据 源IP、目的IP、协议号、ID 四元组识别属于同一原始报文的所有分片，按 分片偏移 从依次拼接数据部分，直到收到 MF = 0 的最后一个分片，完成重组。

为什么分片： 因为数据链路层有 MTU 限制（如以太网默认 MTU = 1500 字节），因此如果超过该1500字节，那么就需要分片。

**怎么知道一个IP是否分片：**存在分片的偏移量！= 0 || 存在分片的标志字段的MF == 1

丢失分片会怎么样已经我怎么知道是否丢失分片：

**丢开头：**那么你组装的时候就会发现没有偏移量为0的

**丢中间：**那么你会发现组装的时候会发现空一块（185 直接到 555 少了一个370）

**丢尾巴：**那么你会发现MF都为1，可是最后一个MF要是0

用图片来理解分片

重点：

**分片后，只有第一个分片才会携带传输层及以上的报头，**而其他的只会携带网络层报头

**分片的坏处：**当IP中有任何一个分片丢失，就要全部丢弃，因此不建议分片；因此是建议让TCP自己处理大小问题，这才有了我们之前在分析TCP滑动窗口的时候看到里面是有分段的，其中段是怎么分出来的就是根据MSS

今天的知识就到这里了，下一期将带来数据链路层的相关知识，本章知识都是理论部分，需要大家多多理解，最后是看完这篇继续看下篇，谢谢大家了！