【计算机网络】简学深悟启示录：网络层

文章目录

1.网络层
2.IP协议
- [2.1 IP协议头](#2.1 IP协议头)
- [2.2 IP分片和组装](#2.2 IP分片和组装)
3.网段划分
4.私有IP和公网IP
5.路由表
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1.网络层

应用层和传输层主要负责定内容（发什么数据，业务逻辑）和定应用（哪个应用发 / 收，端口 + 可靠 / 快速），接下来就是要准备发数据了，网络层 就是负责选择跨网络的传输路径

网络是由多个局域网组成的，各个局域网之间依靠路由器进行转发，IP 就是用于标识转发身份的，IP=目标网络+目标主机

2.IP协议

2.1 IP协议头

4位版本: 指定 IP 协议的版本
4位首部长度 : 告诉接收方首部有多长。因为底下的"选项"字段长度可变，所以这个字段是必须的。注意：单位是 4 字节。标准的 20 字节首部，这里的数值是 5 (5 * 4 = 20)。
8位服务类型: 用于标记数据包的优先级（例如语音通话需要低延迟，文件下载可以容忍延迟）
16位总长度 (Total Length) : 整个 IP 数据报的长度（首部 + 数据）

第二行放到后面讲

8位生存时间(TTL): 防止路由死循环的关键，不是按时间计算，而是路由转发次数
- 数据包每经过一个路由器，TTL 减 1
- 当 TTL 变为 0 时，路由器会丢弃该包并发送 ICMP 超时消息给源地址
8位协议 : 告诉 IP 层数据是谁的
- 6 : 代表 TCP
- 17 : 代表 UDP
- 1 : 代表 ICMP (Ping 命令用的)
16位首部检验和 : 确保 IP 首部在传输过程中没有损坏。路由器每转发一次都要重新计算（因为 TTL 变了）
32位源 IP 地址 : 发送端的 IP（例如客户端的 IP）
32位目的 IP 地址 : 接收端的 IP（例如你服务器绑定的 IP）
选项: 可变长，很少使用。可用于安全、源路由选择等高级功能
数据 : 这里装的就是 TCP 段，上一层的有效载荷+报文，就是下一层的有效载荷

2.2 IP分片和组装

IP 协议头的第二行非常关键。如果数据包太大（超过了链路层的 MTU，例如以太网通常是 1500 字节），IP 层会将数据包切碎（分片），这一行就是用来记录如何把碎片拼回去的。

16位标识 : 给数据包打个 ID。同一个原始包切出来的所有碎片，ID 都是一样的
3位标志 (Flags):
- 第一位 : 保留位，必须是 0
- 第二位 : 如果设为 1，意思是不许被切开。如果网络一定要切分才能通过，路由器就会直接丢弃这个包，并报错；如果设为 0，意思是允许切分
- 第三位 : 后面还有。如果置 1，说明这不是最后一个碎片
13位片偏移: 当前这个碎片在原始数据中的位置。接收方根据这个把乱序到达的碎片拼回原来的顺序

🤯举个例子：

假设你要发一个 4000 字节的大数据包，但是中间的网线限制一次只能过 1500 字节（MTU）

为了方便计算，我们假设 IP 头部长 20 字节，所以数据部分实际上是：

原始数据总长 ：3980 字节（数据） + 20 字节（IP 头） = 4000 字节
MTU限制 ：1500 字节（其中数据最多装 1480 字节，头部 20 字节）

路由器会把这个大包切成 3 片，假设原始包的标识(ID)是 666

第一片 (Fragment 1)

这是开头部分。

16位标识 ：666 (跟原始包一样)
3位标志 (MF) ：1 (设为 1，表示"后面还有")
13位片偏移 ：0 (这是开头，偏移量是 0)
携带数据 ：第 0 ~ 1479 字节 (共 1480 字节)

第二片 (Fragment 2)

这是中间部分。

16位标识 ：666 (我是属于 ID 666 的一份子)
3位标志 (MF) ：1 (设为 1，表示"后面还有")
13位片偏移 ：185，前面发了 1480 字节。偏移量单位是 8 字节，所以 1480 / 8 = 185
携带数据 ：第 1480 ~ 2959 字节 (共 1480 字节)

第三片 (Fragment 3)

这是最后剩下的部分。

16位标识 ：666 (我也是ID 666的一份子)
3位标志 (MF) ：0 (注意！这里设为 0，表示最后一个了)
13位片偏移 ：370，前面两片总共发了 1480 + 1480 = 2960 字节，2960 / 8 = 370
携带数据 ：第 2960 ~ 3979 字节 (剩下的 1020 字节)

当目的主机的 IP 层接收到这些分片后，会根据标识字段将属于同一个数据报的所有分片挑选出来。利用片偏移字段，IP 层会对属于同⼀个数据报的分片进行排序，当所有的分片都到达并正确排序后，IP 层会将这些分片重新组装成一个完整的 IP 数据报，传递给上层的协议进行处理

3.网段划分

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

路由器本质也是个子网的主机，也需要配置 IP，路由器一般连接至少两个子网，是子网里的第一台设备，路由器就是用来在各个子网之间转发用的，子网内新增的主机由路由器分配 IP

IP 地址本身看不出哪部分代表 "所属的网络"，哪部分代表 "网络里的自己"，把子网掩码和IP进行按位与计算来区分网络号和主机号

例子1：同一路由器下，手机和电脑互传文件（同局域网）

电脑IP：192.168.1.100 ，子网掩码：255.255.255.0
手机IP：192.168.1.105 ，子网掩码：255.255.255.0

子网掩码的作用：

分家：掩码255.255.255.0规定前3段是网络号，最后1段是主机号
→ 电脑/手机的网络号都是192.168.1 ，主机号分别是 100 和 105；
判邻居 ：两者网络号完全相同，判定为同一局域网。

✅ 结果：不用走任何路由器，手机和电脑能直接互传文件、投屏，路由器只负责连外网，不插手内网通信。

例子2：你家电脑连朋友家的打印机（跨局域网）

你家电脑IP：192.168.1.100，掩码：255.255.255.0 → 网络号：192.168.1
朋友家打印机IP：192.168.2.88 ，掩码：255.255.255.0 → 网络号：192.168.2

子网掩码的作用：

分家：同样按前3段划网络号，两者网络号明显不同；
判邻居 ：网络号不一样，判定为不同局域网。

✅ 结果：你家电脑不能直接连朋友家打印机，必须通过路由器/宽带网络转发数据，才能实现跨网访问。

例子3：子网掩码帮你避免"IP混乱"（简单划小网）

假设一个小公司有 3 个部门，各 20 台电脑，路由器给的大网段是192.168.1.0（掩码255.255.255.0，能连 254 台设备）。

如果所有电脑都用这个掩码，会混在一个网里，数据传输乱、还不安全。

用子网掩码微调（比如 255.255.255.192），把大网段拆成 3 个小子网：

行政部：192.168.1.1~62 （网络号 192.168.1.0）
技术部：192.168.1.65~126（网络号 192.168.1.64）
市场部：192.168.1.129~190（网络号 192.168.1.128）

4.私有IP和公网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 映射技术

5.路由表

路由表就是路由器（或主机）内部的一张核心导航清单。它的唯一作用是：告诉数据包「下一步该发给谁」，才能最快到达目的地

当一个 IP 数据包到达路由器（或主机）时，设备只知道目标 IP，但不知道怎么走。路由表就是用来做决策的：

直连：如果目标在本地局域网，直接发过去
转发：如果目标在互联网，发给网关（下一跳路由器），让它继续送

一句话总结 ：路由表 = 目的IP + 走哪条路（下一跳） + 用哪个网卡（出口）

目标网络 (Destination)	子网掩码 (Genmask)	网关 (Gateway)	标志	网卡 (Iface)	含义
`0.0.0.0`	`0.0.0.0`	`192.168.1.1`	UG	`eth0`	默认路由：找不到路时，全发给192.168.1.1
`192.168.1.0`	`255.255.255.0`	`0.0.0.0`	U	`eth0`	直连路由：去192.168.1网段，直接在本地发
`127.0.0.0`	`255.0.0.0`	`0.0.0.0`	U	`lo`	本机路由：发给自己的，走回环接口

目标网络 ：数据包要去哪里。0.0.0.0 代表"所有其他地方"。
网关：下一跳（Next Hop） 。
- 如果是 0.0.0.0（或 onlink），说明是直连，不用经过路由器，直接通过 ARP 找 MAC 地址发；
- 如果是具体 IP（如 192.168.1.1），说明要把包发给这个路由器。
网卡：从本机的哪个网口（eth0/wlan0）把包发出去。