网络层IP协议 - 技术栈

基本概念

IP主机定位 &&路由选择

TCP提供各种策略 (丢包重传,流量控制,拥塞控制等),使得数据从A点跨网络传输到B点可靠

IP作用 :提供一种能力,将数据从A点---跨网络---送到B点,真正的执行者.

IP协议如何进行主机定位和报文转发?

1.根据目的IP,进行局域网之间的转发.

2.局域网内,进行内网的转发

bash 复制代码

IP = 目标子网 + 目标主机

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: 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;

协议头格式

4位首部长度 :表示IP头部的长度（单位：32bit），即长度×4字节。
[0,15] × 4字节 = [ 0,60 ] 字节,所以选项长度为 [0-40] 字节

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

16位总长度(total length) ：表示IP数据报整体的字节数---报头+有效载荷总共的大小.

次要: 8位服务类型(Type Of Service)：包含3位已弃用的优先权字段、4位TOS字段和1位必须置为0的保留字段。4位TOS分别对应：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本（四者相互冲突，仅能选其一）。例如ssh/telnet优先最小延时，ftp优先最大吞吐量.

8位生存时间(Time To Live, TTL) ：数据报到达目的地的最大跳数，默认通常为64. 每经过一个路由，TTL减1，减至0仍未到达则丢弃报文（用于防止路由循环）.

8位协议 :表示上层的协议类型(如TCP和UDP)

16位头部校验和：通过CRC校验鉴别IP头部是否损坏。

16位标识(id)：唯一标识主机发送的报文,若IP报文在数据链路层被分片,所有分片的id均相同.

3位标志字段：

第一位：保留（暂未使用，未来可能启用）.
第二位：置1表示禁止分片，若报文长度超过MTU，IP模块会丢弃该报文.
第三位：表示"更多分片"，分片后最后一个分片置0，其余分片置1（类似结束标记）.

13位分片偏移(fragment offset)：表示分片相对于原始IP报文起始位置的偏移,实际偏移字节数=该值×8.因此除最后一个报文外,其他报文长度必须是8的整数倍（保证报文连续）.

32位源地址和32位目标地址：分别表示报文的发送端IP和接收端IP。

网段划分

IP地址的基本结构

IP地址分为两个部分,网络号和主机号

网络号:用于区分不同的网段,保证相互连接的两个网段具有不同的标识
主机号 :用于标识同一网段内的不同设备,同一网段内主机号必须互不重复 .

不同的子网的本质其实就是把网络号相同的主机放在一起.

传统分类地址的局限性

类别	地址范围	特点与问题
A 类	0.0.0.0 ~ 127.255.255.255	网段极大，主机数过多，地址浪费严重
B 类	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	被大量组织申请，很快耗尽
C 类	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	网段较小，灵活性不足
D 类	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255	组播地址
E 类	240.0.0.0 ~ 247.255.255.255	保留地址

核心问题：

固定类别划分导致地址利用率极低（如 B 类网段可容纳 6 万 + 主机,但实际场景中很少需要这么多）.
地址分配不均衡,B 类地址耗尽而 A 类地址大量闲置.

CIDR与子网掩码（现代解决方案）

为解决传统分类的问题，提出CIDR（无类别域间路由）技术，核心是通过子网掩码灵活划分网络号与主机号。

核心概念
子网掩码 ：32 位二进制数，用连续的1表示网络位 ，连续的0表示主机位。
CIDR 前缀（/x） ：子网掩码的简写形式 ，x代表前x位为网络位，剩余32-x位为主机位。
网络号计算 ：将 IP 地址与子网掩码做按位与运算，结果即为该 IP 所属的网络号。
可用主机数：2^(主机位数) - 2（减去网络地址和广播地址，这两个地址不可分配给主机）。

规律：前缀每增加 1，子网数翻倍，可用主机数减半

例子:

子网掩码: 255.255.255.0

32位二进制: 1111 1111 (.) 1111 1111 (.) 1111 1111 (.) 0000 0000

CIDR 前缀: /24 (前24位为网络号)

某IP地址: 140.252.20.68

32位二进制: 1000 1100 (.) 1111 1100 (.) 0001 0100 (.) 0100 0100
取前24位 或 按位与32位二进制的子网掩码 作为网络号:
1000 1100 (.) 1111 1100 (.) 0001 0100 (/) 0000 0000(后8位归0)

网络号为: 140.252.20.0
主机号范围: 140.252.20.1 ~ 140.252.20.254(可用主机数28−2=2542^8 - 2 = 25428−2=254)
- 网段起始（网络地址）：140.252.20.0
- 网段结束（广播地址）：140.252.20.255

IP 地址自动化管理：DHCP

手动管理子网内 IP 地址繁琐且易出错,DHCP（动态主机配置协议） 可自动为子网内设备分配 IP 地址：

路由器通常集成 DHCP 功能,可作为 DHCP 服务器.
功能：自动分配 IP 地址、子网掩码、网关、DNS 等网络参数，避免手动配置的不便与冲突.

特殊IP地址

IP地址中的主机地址 全部设置成0,就成了网络地址,代表这个局域网.
IP地址中的主机地址 全部设置成1,就成了广播地址,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地址的数量

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
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地址和公网IP地址

私有IP地址:内网,子网,局域网.

公网IP地址:入公网,才能入互联网.

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,都称为私有IP ,其余的则称为全局IP （或公网IP）.

私有IP在自己所在的网络中不会重复,但是如果是不同的局域网,IP可能会重复.

① WAN 口 IP

路由器上联口 ，用来接外网/上级网络
由上级设备（光猫、公司网关、上级路由器）分配
作用：让路由器能访问外面的网络
例子：192.168.1.100、10.0.0.5、公网IP

② LAN 口 IP = 局域网IP = 子网IP

都是拥有内网的网关IP

这三个本质是一回事，只是叫法不同：

LAN 口 IP：路由器自己在局域网里的地址
局域网IP：整个内网设备用的 IP 段
子网IP：这个局域网的网段

路由器天生就是跨两个网络的设备：

WAN 侧网络（外网/上级网）
LAN 侧网络（内网）

它的工作就是：
把内网数据包转发到外网，把外网数据包带回内网。

总结:

WAN 口 IP ：路由器对外的地址（连外面）
LAN 口 IP / 局域网IP / 子网IP ：路由器对内的地址（连你设备）
路由器就是靠 WAN 在一个网、LAN 在另一个网 来横跨两个网络。

关于NAT技术

核心瓶颈：公网 IP 真的 "不够用"

在互联网早期，每台联网设备都需要一个唯一的公网 IP。

NAT 的核心魔法：地址复用

NAT 让同一个公网 IP 同时承载成百上千个设备的连接 。

从一个家用设备发送一个请求到目标主机时,每传递到上一级设备(路由器),都要把src来源IP改成这个设备的WAN口IP,这样传递到广域网的时候,都是公网IP,只要不同公网IP进行通信即可.

注意在公网中的IP是可以确定的(公网中的IP是唯一的),而在内网中的IP是不能直接确定的.(不同的内网中,主机的IP可能相同)

如上有个问题,消息发送出去,已经走通(即,从内网到公网),那么从公网到内网,这个倒回来的过程,似乎用上面的方法回不来(每次源IP都被替换成WAN口IP),如何解决?

NAPT---NAT地址转化表

如果局域网内, 有多个主机都访问同⼀个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的. 那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?

使用IP+port来建立这个关联关系

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的. 例如在TCP的情况下, 建立连接时, 就会生成这个表项. 在断开连接后, 就会删除这个表项.

这样从公网的某个服务器返回,当前主机的时候,就可以根据路由器中维护的NAPT,进行返回.

如下是NAT 技术和互联网架构的核心逻辑

关于公网

路由

路由就是在复杂网络中，为数据包找到一条通往终点的路径 ，核心是逐跳转发（Hop by Hop）：

像"唐僧问路"一样，每到一个网络节点（路由器/主机），就查询下一步该往哪走。
每一跳（Hop）是数据链路层的一个区间：在以太网中，就是源MAC地址到目的MAC地址的帧传输段。
IP层负责端到端 的最终目标通信，数据链路层负责每一跳的局部传输。

逐跳转发流程

数据包到达路由器 ：路由器先解析数据包的目的IP地址。
查询路由表：根据目的IP，在本地路由表中匹配最优下一跳。
决定转发方向 ：
- 若目的IP与直连网段匹配：直接通过对应接口发送给目标主机。
- 若不匹配：转发给下一个路由器，继续重复"查询-转发"流程。
最终到达：数据包经过多跳转发，最终抵达目的IP所在主机。

路由表核心解析

路由表是每个网络节点维护的"指路地图"，核心字段如下：

字段	含义
Destination	目标网络地址（要去往的网段）
Gateway	下一跳地址（数据包要交给的下一个设备）
Genmask	子网掩码（用于匹配目的IP）
Flags	路由状态标志： • `U`：此条路由有效 • `G`：下一跳是路由器（需转发） • 无`G`：目标是直连网段（无需转发）
Iface	数据包要从哪个网络接口发出
Metric	路由开销（值越小优先级越高）

关键规则

最长前缀匹配 ：目的IP会和路由表中子网掩码最长的条目优先匹配。
默认路由（default） ：当所有条目都不匹配时，走最后一条默认路由，通常指向网关路由器。

例子: 完整路由表（route -n 输出）

bash 复制代码

Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0
192.168.10.0    0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth1
127.0.0.0       0.0.0.0         255.0.0.0       U     0      0        0 lo

通常用户主机访问其他公网IP时,是一路跳网关路由器到公网.

例1：目的IP在直连网段

目的IP：192.168.56.3
匹配过程：
1. 与192.168.10.0/24做按位与 → 192.168.56.0，不匹配。
2. 与192.168.56.0/24做按位与 → 192.168.56.0，匹配成功。
转发动作：
- 从eth1接口直接发送，因为是直连网段，不需要经过路由器转发。

例2：目的IP在外部网络

目的IP：202.10.1.2
匹配过程：
1. 与所有直连网段匹配，均不匹配。
2. 匹配最后一条默认路由（default）。
转发动作：
- 从eth0接口发出，交给网关192.168.10.1路由器。
- 后续由192.168.10.1继续查询它的路由表，决定下一步。

IP分片与组装

16位标识(id) ：唯一标识主机发送的报文,若IP报文在数据链路层被分片,所有分片的id均相同.

3位标志字段：

第一位：保留（暂未使用，未来可能启用）.
第二位：置1表示禁止分片，若报文长度超过MTU，IP模块会丢弃该报文.
第三位：表示"更多分片"，分片后最后一个分片置0，其余分片置1（类似结束标记）.

13位分片偏移(fragment offset) ：表示分片相对于原始IP报文起始位置的偏移.

偏移量必须是8的整数倍
写入偏移量,实际写入偏移量数据:真实偏移量/8 → x >> 3
提取偏移量,偏移量×8 = 真实偏移量 → x << 3

接收方:收到大量的IP报文,多个客户端发来的IP报文,有的分片了有的没分片.

该报文是否分片

没有分片 : 更多分片 == 0 && 片偏移 == 0

分片了 :第一片,中间片,最后一片

位置	16位标识(id)	3位标志字段	13位分片偏移
起始片	id 1	第三位更多分片位为1	0
中间片	id 2	第三位更多分片位为1	!0
...	...	...	...
结尾片	id n	第三位更多分片位为0	!0

保证收到所有的分片(收全所有分片)

如何保证?
- 第一片:起始片片偏移一定是0,如果没有,就丢失了
- 中间片 :前一个报文的片偏移+前一个报文的大小 = 下一个报文的片偏移,不符合,那就是丢了
- 结尾片:更多分片标志位为0,如果没有就是丢失了

分片与组装

1. 数据链路层：MTU的限制

MTU（最大传输单元） ：以太网默认 MTU = 1500 字节，这是数据链路层一次能传输的最大帧载荷长度。

2. 网络层：IP分片的代价

网络层会告知传输层（TCP）：请将报文控制在 1480 字节以内 （1500 - 20字节IP首部）。
若TCP报文超过1480字节，IP层就需要：
1. 把大报文拆分成多个更小的IP分片。
2. 每个分片独立传输，到达对端后再由目标主机的IP层重新组装。
风险：任何一个分片丢失，整个原始数据报都要重传，会显著增加丢包率和延迟。

3. 传输层（TCP）：主动规避分片

TCP通过**滑动窗口 + MSS（最大分段大小）**机制，主动将大数据拆分成多个不超过 MSS = MTU - IP首部 - TCP首部（通常为1460字节）的报文段。
这样IP层收到的报文天然小于MTU，无需分片，直接封装成帧传输，避免了分片组装带来的性能损耗和丢包风险。

补充：MSS与MTU的关系

text 复制代码

MTU = 1500 字节（以太网）
└─ IP首部 = 20 字节（无选项时）
└─ TCP首部 = 20 字节（无选项时）
→ MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460 字节

TCP会在三次握手时协商双方的MSS，确保传输的报文段不会超过对端的MTU限制。

分片组装实例

假设在IP层,有一个大小为3000字节的报文,如何分片?如何组装?

分片

首先有效载荷为2980(去除了20字节的IP报头),如下是对2980进行分片

组装

接收方怎么知道分片了?
- 如果没有分片 MF=0 && 片偏移=0
- MF != 0 || 片偏移 != 0
server怎么保证收全了
- 16标识相同的聚合在一起
- 分片收全了,考虑分片丢失
  - 第一片丢了
    没有片偏移为0的报文
  - 最后一片丢了
    标志为0的报文缺失了
  - 中间丢失
    收到的所有分片,按照片位移排序,进行升序排序,偏移量×8 + 自己有效载荷大小 = 下一片的偏移量