Linux网络：IP协议

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. 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, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.

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, 其他是1. 类似于一个结束标记.

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).

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, 最多40字节): 略

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到一起.

• 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的其他主机重复.

通过合理设置主机号和网络号, 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情.

• 有一种技术叫做DHCP, 能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址, 避免了手动管理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是一个DHCP服务器.

它们的范围如下：

类别	起始地址	结束地址	高位标识	用途
A类	0.0.0.0	127.255.255.255	0	大型网络（0和127保留，实际可用1-126）
B类	128.0.0.0	191.255.255.255	10	中型网络
C类	192.0.0.0	223.255.255.255	110	小型网络
D类	224.0.0.0	239.255.255.255	1110	组播地址
E类	240.0.0.0	255.255.255.255	1111	保留（实验用）

但是这样的弊端很快就显现出来了，很多人都去申请B类，导致B类不够用但是，A类大量的地址被浪费，因此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)。它是这样的：

• 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;

• 网络号和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

特殊的IP地址

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

IP地址数量限制

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. 这难道意味着一共只有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.

尽管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(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和公有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地址都可以,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, 都成为私有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(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, 就需要把程序部署在一台具有外网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.

公网

公网IP地址（Public IP Address）是指由互联网数字分配机构（IANA）及其下属区域互联网注册机构（RIR，如APNIC、RIPE NCC）分配，并在全球互联网唯一可用的IPv4地址。其核心特征为全局唯一性 与全局可路由性。

具有以下特点：

全局唯一性：在任一时刻，全球公网中仅有一个网络接口可绑定该地址。
全局可路由性：互联网中所有BGP路由器均维护到达该地址所在前缀的路由条目，无需依赖网络地址转换（NAT）即可实现端到端通信。
所有权与使用权分离：终端用户不拥有公网IP地址，而是通过运营商（ISP）租用或动态获取使用权。地址块的所有权归属于RIR或运营商。
成本属性：公网IPv4地址因稀缺性具备直接经济成本，企业需付费获取。

路由

路由的定义

路由（Routing）是网络层依据IP目标地址，从路由表中查找到达目标网络的最优下一跳（Next-Hop）的过程。该过程涉及控制平面 （路由协议交换与路由表计算）与数据平面（逐包转发决策）的分离。

核心原则（严格表述）

最长前缀匹配（Longest Prefix Match, LPM） ：

路由器在转发IP包时，选择路由表中与目标IP地址匹配的掩码最长的路由条目。该原则优先于管理距离或度量值。
逐跳行为（Hop-by-Hop Forwarding） ：

每个路由器独立做出转发决策，仅依据本地路由表，不保留端到端的路径状态。此特性使IP网络具备无连接性。
路由单向性 ：

从主机A到主机B的路径与反向路径无必然关联。往返路径可能不对称，需分别保证两条路径的路由可达性。
转发与路由分离 ：

转发（FIB）由硬件或快速路径执行，路由表（RIB）由控制平面维护。转发决策不依赖路由协议的实时计算。

公网IP、路由与主机的协同工作模型

端到端通信的语义

在无NAT的纯公网环境中，主机A（公网IP P_A）与主机B（公网IP P_B）通信时：

主机A构造IP包，源地址为P_A，目标地址为P_B。
主机A通过静态路由或默认网关将包发送至第一跳路由器。
沿途每个路由器执行LPM，从FIB中获取下一跳出接口及邻居IP。
包最终到达主机B所在子网的网关，由该网关通过地址解析协议（ARP）或邻居发现（ND）交付至主机B。
回程包同理，但路径可能不同。

关键约束：

两端的路由表必须包含对方地址的可行路由。
若任一方向缺少路由（如缺回程路由），通信失败。

NAT场景下的公网IP角色

在IPv4地址枯竭背景下，NAT成为必要妥协。NAT设备将私网IP映射到公网IP（通常多个私网会话共享一个公网IP）。此时：

公网IP仅存在于NAT设备的外部接口，主机本身无公网IP。
外网无法主动访问内网主机，除非配置静态端口映射。
公网IP失去了端到端语义，退化为"会话复用标识"。

工程结论：NAT并非路由，而是地址转换。它破坏了IP的端到端透明性，是过渡性技术。

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封面图自取：