【Linux网络】深入理解网络层：从IP协议格式，子网划分到NAT与路由机制

一、网络层
[二、IP 协议格式](#二、IP 协议格式)
- [2.1 IP 报头字段](#2.1 IP 报头字段)
- [2.2 IP 报文分片与组装](#2.2 IP 报文分片与组装)
三、子网划分
- [3.1 为什么要子网划分？](#3.1 为什么要子网划分？)
- [3.2 怎么子网划分？](#3.2 怎么子网划分？)
- [3.3 子网掩码](#3.3 子网掩码)
四、私有IP和公网IP
- [4.1 私有 IP](#4.1 私有 IP)
- [4.2 公网 IP](#4.2 公网 IP)
- [4.3 一张图理解](#4.3 一张图理解)
五、理解公网
- [5.1 运营商](#5.1 运营商)
- [5.2 公网](#5.2 公网)
- [5.3 NAT技术](#5.3 NAT技术)
六、路由

一、网络层

网络层是计算机网络体系结构的第三层（OSI七层模型和TCP/IP 五层协议）。

网络层主要为了实现异构网络，统一互联 ，并为数据包在源主机和目的主机之间选择最佳的传输路径。

二、IP 协议格式

IP 协议是网络层最重要的协议，负责将数据包跨网络从主机A 传输到主机B。

IP 协议如何完成数据传输，就必须弄懂IP 的协议格式。

c 复制代码

struct iphdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8    ihl:4,          /* 首部长度，单位4字节，最小5 */
            version:4;      /* IP版本，IPv4为4 */
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8    version:4,      /* IP版本 */
            ihl:4;          /* 首部长度 */
#else
#error  "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
    __u8    tos;            /* 服务类型 (Type of Service) */
    __be16  tot_len;        /* 总长度 (整个IP包长度，字节) */
    __be16  id;             /* 标识符，用于分片重组 */
    __be16  frag_off;       /* 分片偏移和标志 (DF, MF等) */
    __u8    ttl;            /* 生存时间 (Time To Live) */
    __u8    protocol;       /* 上层协议 (如TCP=6, UDP=17) */
    __be16  check;          /* 首部校验和 */
    __be32  saddr;          /* 源IP地址 */
    __be32  daddr;          /* 目的IP地址 */
    /* 选项字段开始，长度可变，由ihl决定 */
};

2.1 IP 报头字段

（1）4位版本

指明IP 协议的版本：IPv4 与 IPv6。4即IPv4，6即IPv6。

（2）4位首部长度

IP 协议与TCP 协议的报头部分相同，由定长的20字节和选项组成。报头长度 = 4位首部长度 * 4（4位代表0 ~ 15，即 0 ~ 60，定长为20，则报头大小 $20，60$ ）。

（3）8位服务类型

（4）16位总长度

IP 报文的大小。

（5）8位生存时间

网络的拓扑结构已经非常复杂了，如果路由器的路由表配置错误或者发生回环，一个IP 数据包就可能会在几个路由器之间来回"循环 "打转。

这些无法到达目的地的报文会一直在网络中占用带宽和路由器资源，最终导致网络拥塞崩溃。所以，设置一个生存时间，一旦时间耗尽，路由器就会将数据包丢掉。

（6）8位协议

标识上层的协议类型：TCP ，UDP等，告诉目的主机的网络层，这个IP 数据包的"有效载荷"部分装的是什么上层协议的数据，从而交由哪个协议模块处理。

（7）16位首部校验和

检测IP 数据报首部在网络传输过程中是否发生了错误（如比特位翻转，数据损坏）。

（8）32位源/目的IP

标识发送端和接收端。

IP 协议如何完成报头和有效载荷的分离和分用？

分离：4位首部长度。

分用：8位协议。

2.2 IP 报文分片与组装

还剩下中间三个字段，用于IP 报文的分片与组装。为什么要对IP报文进行分片呢？

数据链路层规定：IP 报文长度不能超过1500字节（MTU）。

当IP 报文长度超过1500字节，网络层就需要对报文分片。属于该报文的16位标识字段相同，即未来接收端根据16位标识就能判断哪些分片属于一个报文。

三位标志：

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MF标志：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位片偏移 ：标识当前分片的有效载荷在原始未分片IP 数据包有效载荷中的相对起始位置，即计算片偏移时，不考虑IP 报头长度。

片偏移的单位是8字节，因为IP 报文的最大长度为16位（ 2^16 - 1 = 65536字节），而片偏移只有13位，所以让13位片偏移乘以8表示实际偏移量。

假设一台主机需要发送 3800 字节的数据载荷，加上 20 字节固定 IP 报头，总长为 3820 字节。通过 MTU = 1500 字节的以太网链路（最大可承载数据载荷为 1500 - 20 = 1480 字节）时，分片过程如下：

分片序号	有效载荷范围	载荷长度	MF标志	片偏移
分片1	0~1479	1480	1	0/8=0
分片2	1480~2959	1480	1	1480/8=185
分片3	2960~3799	840	0	2960/8=370

（1）怎么判断报文分片了？

如果接收到的IP 报文MF = 1，即表明该报文后面还有分片，即该报文是分片；即使MF = 0，片偏移不为零也可以判断是分片。

（2）如何组装？

首先，根据16位标识判断分片是否属于同一个报文；然后，根据MF + 片偏移排序拼接（按顺序放到接收缓冲区）。

（3）分片多了好吗？

显然，分片多了，丢包概率增加（如果接收方发现分片丢了，就会将其他分片丢掉，发送方收不到ACK，就会超时重传整个报文）。

现在就理解了，为什么在滑动窗口中要将数据划分位一段一段发送，即控制TCP报文长度不超过1500 - 20（IP报头无选项）= 1480字节。

三、子网划分

3.1 为什么要子网划分？

先讲一个故事：张三捡到一个钱包，钱包里只有一个只能看清楚学号的学生证，怎么快速把钱包还给失主。

背景：学校设计了学号（院号+专业号+班级），所以通过学号可以找到快速定位到每一个学生。

张三捡到钱包，把这个人的学号发送到自己的院群，学生会主席发现学号开头是06，肯定不是本学院的，所以学生会主席把学号转发到校群，机械学院学生会主席发现这是自己学院的，于是将学号转发到自己学院，李四立马发现是自己的钱包找到了。

如果没有将学号按照学院+专业+班级这样设计，而是对每个学生进行依次编号，那么张三再要把钱包还给李四，就需要找人一个一个的问："你的学号是不是06321"。

张三和李四就像两台主机，主机A想把报文交给主机B。IP 让主机A能够找到主机B，子网划分就类似于划分学院，带上唯一编号，这样在进行查找时就能够更快的淘汰其他主机，缩小查找范围，大大提高了查找的效率。

3.2 怎么子网划分？

IP 由网络号和主机号构成。

同一个子网中网络号相同，不同子网的网络号不同。
同一个子网中主机号不同，不同子网的主机号可能相同。

子网划分是本质就是在32位IP 中划分网络号。

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一个DHCP服务器。

那么对于不同的子网，如何互相连通呢？

由路由器进行连接，所以一个路由器至少有两个IP：

WAN 口IP：即外网IP，面向运营商。
LAN 口IP：即内网IP，面向局域网。

3.3 子网掩码

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示。

随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。

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。

所以，引入了子网掩码。

子网掩码是一个正整数，前一部分全1，后一部分全零；
子网掩码与IP 按位与之后得到网络号；

通过子网掩码就可以灵活的控制网络号，避免了浪费IP。当子网主机较多就可以设置子网掩码小一点，反之就可以将子网掩码设置大一点。

子网掩码能不能解决IP不足的问题？

子网掩码本质是提高了IP的利用率，所以可以缓解IP不足的压力，但不能增加IP的数量。

四、私有IP和公网IP

公网 IP 是互联网上的"全球唯一身份证"，用于在公网上标识一台设备；而 私有 IP（内网 IP）是局域网内部使用的"私有编号"，专门用于局域网内部设备之间的通信。

4.1 私有 IP

为了避免 IPv4 地址过快枯竭，RFC 1918 规范专门划出了三段地址作为私有 IP 地址空间。任何组织和个人都可以无须申请、免费在局域网内部使用这些网段：

A 类私有地址：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 （掩码 /8，常用于大型企业网、云厂商 VPC 内部网络）
B 类私有地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 （掩码 /12，常用于中型企业或 Docker 容器网络）
C 类私有地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 （掩码 /16，最常见于家庭及小型办公室路由器）

主要特点：

可重复使用 ：不同局域网（例如你家和邻居家）可以同时使用同一个私有 IP（如 192.168.1.100），彼此独立互不干扰，所以通过这种方式就可以解决IP 不足的问题。
公网不可直接路由：互联网上的骨干路由器会自动丢弃源或目的地址为私有 IP 的数据包，外部设备无法直接访问局域网内的私有 IP。
免费且本地管理：由本地路由器通过 DHCP 协议自动分配，不收取费用。

4.2 公网 IP

除了私有地址段以及特定用途的保留地址（如环回地址 127.0.0.1、链路本地地址 169.254.x.x）外，其余的合法 IPv4 地址都属于公网 IP。

主要特点：

全球唯一：在同一个时间点，全球互联网中绝不会有两台设备拥有相同的公网 IP。
公网直接可达：只要拥有公网 IP 并在对应的端口上监听，互联网上的任意设备均可以直接发起连接。
统一规划与收费：由国际机构（IANA/APNIC）统一分配给宽带运营商（ISP）或云服务商，用户通过按月/按年付费来获取（如家用宽带分配的动态公网 IP，或云服务器租用的固定公网 IP）。

4.3 一张图理解

路由器连接内网与外网，LAN 口IP 对内，WAN 口IP 对外。
路由过程中，子网IP 不能出现在公网上，所以在内网转发时会将子网IP替换位路由器的WAN 口IP（NAT 技术）。
我们在日常中接触到的都是子网IP，即路由器分配的IP。
报文经过出入口路由器转发之后进入公网。

五、理解公网

5.1 运营商

运营商负责铺设，维护覆盖全球的通信网络，并为个人与企业提供数据传输通道。

以物流系统为例：运营商不仅修筑高速公路（骨干光缆）和村村通道路（小区光纤/基站），还负责调度与转运每一个"数据包裹"，确保它们准确送达。

运营商层级结构：

以运营商网络与用户个人网络的分界点划分私网与公网：

公网：包括骨干网、城域网以及接入网（运营商侧）。这是由运营商建设、维护并向公众提供开放数据传输能力的公共互联网。公网上的节点使用全球唯一的公网 IP 地址进行路由和通信。
私网（局域网）：即用户自建的内部网络，如家用路由器，公司内网。

以家用路由器为例：

路由器的 WAN 口以外（外网）：连接运营商基站、OLT 光纤节点、城域网及骨干网，属于公网。
路由器的 LAN 口以内（内网）：连接手机、电脑、电视等终端设备，属于私网（通常分配 192.168.X.X 或 10.X.X.X 这类私网 IP，通过 NAT 地址转换技术共享一个公网 IP 上网）。

假如今天你要发送应该请求到抖音的服务器，源IP为192.168.1.201（子网掩码前24位为1），目的IP 为122.77.241.3（子网掩码前24位为1）。

路由器在进行路由时，目的IP 按位与子网掩码得到网络号为 122.77.241，自己所在内网网络号为192.168.1，对比发现不同，则直接通过家用路由器转发给出入口路由器（运营商），同时将源IP 替换为路由器WAN 口IP（NAT）；然后出入口路由器再次NAT，并将请求在公网路由到抖音服务器。

5.2 公网

公网即运营商建设、维护并向公众提供开放数据传输能力的公共互联网。公网上的节点使用全球唯一的公网 IP 地址进行路由和通信。

拥有公网IP 的设备可以直接跨地域进行通信，因为公网上的主干路由器维护这完整的公网路由表。

5.3 NAT技术

NAT（网络地址转化）技术：在内网访问外网时替换的是 IP 报头的源 IP 地址（SNAT），而在外网返回响应数据时，替换对应目的 IP 地址（DNAT）。

同一个内网中不同的局域网中的主机最终在转发到外网时，都用的是出入口路由器的WAN 口IP，所以，即使IP 相同也没事。即NAT 是解决IP地址不够用的手段之一，是路由器的一个重要功能。

在绝大多数常见的网络环境中，NAT 还包含了传输层端口号的修改（称为NAPT 网络地址端口转换）。

今天西安的一个客户端（内网IP192.168.1.200:54321）与河北的服务器（公网IP 122.77.241.88:80）建立连接并通信:

客户端发送请求到服务端：

c 复制代码

[西安客户端] Source: 192.168.1.200:54321  | Destination: 122.77.241.88:80
     │ (经过西安家用路由器 SNAT)
     ▼
[运营商内网] Source: 10.1.1.2:60001       | Destination: 122.77.241.88:80
     │ (经过西安运营商路由器 SNAT)
     ▼
[城域网/骨干网] Source: 122.77.241.4:40001   | Destination: 122.77.241.88:80
     │ (骨干网 5.1.0.1 -> 5.5.0.1 路由转发，IP 保持不变)
     ▼
[河北出口网关] Source: 122.77.241.4:40001   | Destination: 122.77.241.88:80
     │ (经过河北出口路由器 DNAT)
     ▼
[河北服务器] Source: 122.77.241.4:40001   | Destination: 192.168.1.100:80

响应包反向回传客户端：

cpp 复制代码

 服务器发包：源: 192.168.1.100:80 目的: 122.77.241.4:40001 

河北出口 SNAT：转换为 源: 122.77.241.88:80 目的: 122.77.241.4:40001 

公网路由回传：从河北（5.5.0.1）通过骨干网路由回西安出口（122.77.241.4） 

西安两级 DNAT：反向还原为 10.1.1.2:60001 -> 192.168.1.200:54321，最终送达西安客户端

每次先将目的IP 和子网掩码进行按位与得到网络号，确定下一跳应该到哪个网段；
经过路由器路由时如果IP 报头源IP为内网IP则替换为WAN 口IP，通常也会替换TCP/UDP 报头的端口号，同时建立映射关系（NAT 映射表）。

NATAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
NATAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
在NATAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；

NAPT IP/Port转换：

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。此时NAT路由器不能判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?

NAPT就可以解决这个问题，使用 IP + port 来建立这个关联关系（NAPT 映射表）。

六、路由

路由：在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

路由器连接两个局域网，路由就是从局部到跨网络通信，每个路由器都会维护一张路由表，根据 IP报头的目的 IP 按位与子网掩码得到目的网段的网络号，然后查路由表决定下一跳到哪个网段，依次类推，找到找到目的主机。

路由表可以使用route命令查看；
如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可；
路由表中的每一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

Interface（出接口）

含义：路由器是依靠哪个物理或逻辑网卡（接口）把数据包发送出去的。

eth0 (WAN)：路由器的外网口（广域网接口）。
vlan10 (LAN)：路由器的内网口（局域网接口），通过 VLAN 虚拟出来的接口。
lo：本地环回接口（Loopback），数据包只会绕回到设备自身。

最后一项即缺省路由。

到这里网络层的讲解就结束了！

目前我们已经知道如何通过 IP进行路由，而怎么把报文交给路由器，以及目的主机，就需要数据链路层出手，下一篇我们就彻底弄清楚报文如何被送达目的主机。