【Linux】第15期讲解IP网络层核心原理与机制

开头
一.IP协议
- 1.协议格式
- - [（1）第一行：版本 + 首部长度 + 服务类型 + 总长度](#（1）第一行：版本 + 首部长度 + 服务类型 + 总长度)
  - - a.4位版本（version）
    - [b.4 位首部长度（IHL, Internet Header Length）](#b.4 位首部长度（IHL, Internet Header Length）)
    - [c.8 位服务类型（TOS, Type Of Service）](#c.8 位服务类型（TOS, Type Of Service）)
    - d.16位总长度
  - （2）第二行：16位标识+3位标志+13位片偏移
  - - [a.16 位标识](#a.16 位标识)
    - [b.3 位标志](#b.3 位标志)
    - [c.13 位片偏移](#c.13 位片偏移)
  - [（3）第三行：TTL + 协议 + 首部校验和](#（3）第三行：TTL + 协议 + 首部校验和)
  - - [a.8 位生存时间（TTL, Time To Live）](#a.8 位生存时间（TTL, Time To Live）)
    - [b.8 位协议（Protocol）](#b.8 位协议（Protocol）)
    - [c.16 位首部校验和（Header Checksum）](#c.16 位首部校验和（Header Checksum）)
  - [（4）第四、五行：32 位源 IP 地址、32 位目的 IP 地址](#（4）第四、五行：32 位源 IP 地址、32 位目的 IP 地址)
- 2.网段划分
- - [（1）第一代方案：有类地址（A/B/C/D/E 五类）](#（1）第一代方案：有类地址（A/B/C/D/E 五类）)
  - [（2）第二代方案：CIDR 无类域间路由 + 子网掩码](#（2）第二代方案：CIDR 无类域间路由 + 子网掩码)
- 3.公网和子网
- 4.路由
结尾
往期回顾

开头

Ok了，上一期我们学习了传输层UDP、TCP，今天这一期我们继续从上到下的讲解------网络层，废话不多说，我们直接开始

网络层是 TCP/IP 协议栈的核心分层之一，承担着跨网络端到端通信的核心职责，解决了 "数据从全球任意一个节点出发，如何找到路径到达另一个节点" 的根本问题

一句话定位：网络层解决的是「数据包怎么从一个国家/一个城市 / 一个网段，送到另一个国家/另一个城市 / 另一个网段」的问题，是整个互联网的 "路由导航系统"

一.IP协议

1.协议格式

如上图，是IPv4数据报首部格式，采用**网络字节序（大端模式）**排列，横向以bit为单位，共有4字节

固定基础首部 ：前 5 行，共 20 字节，所有 IP 报文必带；
选项：可变长，最多 40 字节；
IP 首部总长度范围：20 ~ 60 字节，必须是 4 字节的整数倍

（1）第一行：版本 + 首部长度 + 服务类型 + 总长度

a.4位版本（version）

作用：标识 IP 协议的版本
取值：固定为 4，代表 IPv4；如果是 IPv6 则值为 6。
接收方首先读取该字段，判断用哪个版本的协议栈解析报文。

核心规则 ：计数单位是 4 字节（32 位字） ，不是 1 字节。
计算公式：IP首部总字节数 = 首部长度数值 × 4
取值范围 ：
- 最小值 5 → 5×4 = 20 字节（无任何选项的标准首部）
- 最大值 15 → 15×4 = 60 字节（选项占满的最大首部）
存在意义：因为 IP 首部有可变长的「选项」字段，总长度不固定，接收方必须靠这个字段才能准确找到「首部结束、数据开始」的边界

c.8 位服务类型（TOS, Type Of Service）

原始设计：用来标记数据包的服务质量要求，分为 3 位优先级、1 位最小延迟、1 位最大吞吐量、1 位可靠性、1位最小成本、1 位保留。
现代演进 ：现在基本演变为 DSCP（差分服务代码点），前 6 位用来区分业务等级，给语音、视频、游戏等低延迟业务分配更高的转发优先级，实现网络 QoS。
普通数据报文该字段通常为 0

d.16位总长度

单位：字节
含义：整个 IP 数据报的总长度 = IP 首部长度 + 数据载荷长度
取值范围：0 ~ 65535 字节，理论最大约 64KB。
接收方靠这个字段，结合首部长度，就能算出数据部分的长度：数据长度 = 总长度 - 首部长度

看到这里，同学们一定有疑问：为什么TCP报头只需要IHL就能实现报头与数据的分离，但是IP协议报头却需要多加一个16位总长度呢？？？

原因是：数据链路层向上交给网络层的是一串连续的字节流，如果只有IHL，我们只知道IP头部有多少字节，并不知道数据是从哪里截止的。但是TCP报文是由IP协议完整交付给传输层的，也就是说，IP已经把一整个完整的TCP报文交给了传输层，只需要通过IHL确定有效载荷的起始位置，剩下的全部字节就是TCP的有效载荷

（2）第二行：16位标识+3位标志+13位片偏移

这一行是什么东西？？作用是什么？？

不急，讲解IP协议报头第二行结构前，我们要先来学习一下IP的分片与重组

我们要先知道数据链路层的一个概念------MTU

MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是数据链路层的核心属性：每一种链路技术（以太网、WiFi、PPP 等）都有自己能承载的最大 IP 数据报长度，最常见的以太网 MTU 就是 1500 字节。如果 IP 数据报总长度超过了当前链路的 MTU，数据链路层就无法把它封装成帧发送出去

直白点说就是：我能单次传输的数据量最大是 1500 (MTU)，你给我的报文如果超过这个长度，你要自行分片和组装哦

但是分片会有很多的缺点：

IP 层本身没有重传机制，只要任意一个分片丢失，整个原始 IP 报文就彻底作废

也就是说，一份数据被IP网络层分成了多片发送，如果在传输过程中，只丢了其中一份，就要重新发送一整份数据

分片越多，重传浪费越严重。更糟糕的是，TCP 根本不知道是 IP 分片丢了，它只会感知到「这个段没收到确认」，然后重传整个段，进而又会产生一批新的分片，形成恶性循环

为了解决分片带来的资源浪费，我们就需要对传输层 下手

我们在上一期学习传输层TCP协议滑动窗口机制的时候，有没有想过：为什么要把窗口内的数据划分成一段一段的发送，怎么不把窗口中的所有数据一起发出去？？------其实就是因为有MTU 的限制

TCP 在三次握手建立连接时，会互相协商 MSS（Maximum Segment Size，最大分段大小），它的定义非常直白：

复制代码

 **MSS = 链路 MTU - IP 首部长度 - TCP 首部长度**

以最常见的以太网 MTU=1500 字节为例：

IP 首部固定 20 字节，TCP 首部固定 20 字节
MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460 字节

TCP把要发送的数据大小限制在1460字节内，这样发送的总报文大小就不会超过MTU，IP层就不需要分片，直接交给数据链路层就能直接发送

a.16 位标识

相当于原始报文的身份证号 。

当一个 IP 数据报被分片后，同一个原始报文的所有分片，标识字段的值完全相同。接收端的 IP 层正是依靠这个字段，把散落的分片归类到同一个 "分组" 里，为后续重组做准备

b.3 位标志

三个比特是分片的控制开关，从高位到低位分别是：

第 1 位：保留位：预留未使用，协议规定必须置为 0，为未来扩展留空间。
第 2 位：DF 位（Don't Fragment，禁止分片） ：
- 置 1：禁止对该报文分片。如果报文长度超过链路 MTU，路由器会直接丢弃报文，并向源主机返回 ICMP 差错报文。路径 MTU 发现（PMTUD）技术就是靠这个位实现的。
- 置 0：允许路由器在必要时对报文分片。
第 3 位：MF 位（More Fragments，更多分片） ：
- 置 1：表示当前分片不是最后一个，后面还有更多分片。
- 置 0：表示这是整个原始报文的最后一个分片。
- 特殊情况：未被分片的完整报文，MF 位也置 0

c.13 位片偏移

相当于每个分片的位置坐标 ，标记当前分片的数据部分，在原始 IP 报文的数据区中的起始位置。

单位特殊：字段数值的单位不是字节，而是8 字节。实际偏移字节数 = 片偏移字段值 × 8。
设计原因：13 位二进制最多表示 8192 个数值，以 8 字节为单位就能覆盖 8192×8=65536 字节，刚好匹配 IP 数据报最大 65535 字节的长度范围。
长度规则：除最后一个分片外，前面所有分片的数据长度必须是 8 字节的整数倍，保证下一个分片的偏移值是整数，所有分片数据首尾衔接、不重叠、不空缺

（3）第三行：TTL + 协议 + 首部校验和

a.8 位生存时间（TTL, Time To Live）

核心作用：限制数据包经过路由器的最大跳数，防止IP数据包在网络里无限环路转发
工作规则：数据包每经过一台路由器，TTL 值减 1；当 TTL 减到 0 时，路由器直接丢弃该数据包，并向源主机返回 ICMP "时间超时" 差错报文。
常见默认值：Linux 系统默认 64，Windows 系统默认 128，网络设备通常默认 255

b.8 位协议（Protocol）

位置：第 72~79 比特
作用：指示 IP 数据报的数据部分，承载的是哪一种上层协议，接收方靠它把数据交给对应的内核模块处理。
经典取值 ：

校验范围 ：只校验 IP 首部本身，不校验数据部分。
算法：16 位二进制反码求和，和 TCP 校验和算法一致。
特点：数据包每经过一个路由器，TTL 都会减 1，首部内容变化，因此每一跳都要重新计算首部校验和。
校验失败的数据包会被直接丢弃，不通知发送方

（4）第四、五行：32 位源 IP 地址、32 位目的 IP 地址

源 IP 地址：发送该 IP 数据报的源主机的 IPv4 地址

目的 IP 地址：该 IP 数据报要送达的目标主机的 IPv4 地址

2.网段划分

IP 地址是 32 位的二进制地址，标识网络中的每一台主机。但如果 32 位全用来唯一标识主机，路由器就需要记住全球每一台主机的地址，路由表会无限膨胀，转发效率极低

IP 协议把 32 位地址拆成了两部分，这就是网段划分的核心逻辑：

网络号：标识一个独立的网段 / 局域网。同一个网段内所有主机的网络号完全相同，不同网段的网络号必须不同。
主机号：标识网段内的具体主机。同一网段内，主机号必须唯一，不能重复

我们通过学校学号的例子来带大家理解下IP=网络号+主机号

如上图，一个学校中学生的学号由两部分构成：学生学号 = 学院编号+学生编号

我们规定，一个学生的学号的前两位就是这个学生所在学院的编号，剩余的就是学生编号

有一天计算机学院的张三（学号：01123）捡到了一个钱包，钱包里有学生证，显示的失主的学号为 06321，接下来：

张三识别该学号：06321，前两位06就说明了该学生不是本计算机学院（子网）的，但是作为学生张三，他也不知道具体是哪一个学院的。所以张三不需要费力的在本学院寻找失主，直接交给院学生会主席
每一个学院只有院学生会主席才能通过校群（公网）跨院来进行"交流"，现在张三把这个学号为06321学生的钱包交给院学生会主席，通过学号前两位06直接定位到机械学院，然后交给机械学院的院学生会主席
机械学院的院学生会主席拿到钱包后，就会根据学号的后三位321来在本院定位学生，就能找到06321的李四，李四根据随钱包来的张三的电话，也能同张三联系

（1）第一代方案：有类地址（A/B/C/D/E 五类）

TCP/IP 最初设计了一套固定边界的划分方案：根据 IP 地址前几位的特征位，把地址分成 5 大类，每一类的网络号和主机号长度是固定死的

有类地址的局限性：地址浪费极其严重，B 类很快耗尽，A 类大量闲置。

绝大多数企业和机构都申请 B 类地址，但实际网络中根本用不完 6 万多台主机，大量 IP 地址被浪费；
C 类地址每个只有 254 台主机，不够中大型组织使用；申请多个 C 类又会导致路由表条目爆炸式增长；
核心问题：网络号和主机号的边界是固定的，完全不能灵活调整，无法适配不同规模的网络

（2）第二代方案：CIDR 无类域间路由 + 子网掩码

为了解决有类地址的僵化和浪费问题，行业提出了CIDR（无类别域间路由），这也是现在互联网实际使用的方案

CIDR 取消了 A/B/C 类的固定边界，引入子网掩码来灵活决定网络号的长度：

子网掩码也是 32 位二进制，由连续的 1 和连续的 0组成；
掩码中1对应的 IP 位，就是网络号；0对应的位，就是主机号；
掩码永远是前面全 1、后面全 0，不会出现 1 和 0 交叉的情况。

将IP 地址 和子网掩码 做按位与运算 （对应位都为 1，结果才为 1；只要有一个为 0，结果就是 0），最终得到的结果就是该 IP 所属的网络号（网段地址）

简化写法：前缀表示法

不用每次都写全 32 位子网掩码，直接用「IP 地址 / 网络位的位数」表示，这就是 CIDR 前缀。

例如140.252.20.68/24：表示前 24 位是网络号，对应子网掩码255.255.255.0

三类特殊的 IP 地址

网络地址（网段号）

定义：主机号部分全部为 0的 IP 地址。
作用：代表整个局域网本身，用来标识一个网段，不能分配给任何一台主机。
示例：192.168.1.0/24 就是该网段的网络地址。

广播地址

定义：主机号部分全部为 1的 IP 地址。
作用：向同一个网段内所有主机同时发送数据，也不能分配给主机。
示例：192.168.1.255/24 就是该网段的广播地址。

环回地址（Loopback）

定义：127 开头的所有 IP，最常用127.0.0.1。
作用：本机网络协议栈测试，发往环回地址的数据包不会离开本机，直接在网络层回环，用来验证本机 TCP/IP 是否正常工作

3.公网和子网

我们常说的公网与子网，是计算机网络中一组相对的核心概念。通俗来讲，公网就是面向全球开放的公共互联网，而子网在日常语境中大多指局部范围内的私有内网

（1）子网

子网 = 内网 / 私网 / 局域网（LAN）

这是最普遍的用法，指在局部地理范围内（家庭、办公室、校园、工厂），由多台设备通过交换机、路由器等设备组建的私有内部网络。

核心标识 ：使用私网 IP 地址 ，是国际标准预留的专用 IP 段，仅在本地网络内有效，无法直接在公网上被访问。
全球通用的私网 IP 段有三类：
- A 类：10.*
- B 类：172.16.* ~ 172.31.*
- C 类：192.168.* ~ 192.168.*
覆盖范围：通常几十米到几公里，局限在一个建筑、园区内。
管理主体：由个人、企业或机构自行管理，可自定义网络规则和权限。
典型场景：家里手机、电脑、电视连接同一个 WiFi；公司内部办公电脑、打印机互联；校园内部的教务系统网络等

如上图，我们来学习一下子网/局域网/私网

首先要来介绍一下一个硬件设备------路由器

路由器是网络边界设备，一边连接内部的本地子网，一边连接外部的上级网络，因此一个路由器至少拥有两个 IP 地址，分别对应两侧的网络

LAN口IP == 子网IP（子网网关）

定义：LAN 口是路由器连接本地内网 的接口，对应的 IP 地址就叫子网 IP，也常被称为「内网网关地址」，是整个子网的 "出口门牌号"。
核心作用 ：
- 它是子网内所有终端（电脑、手机、打印机）的默认网关，内网设备要跨出子网通信，都必须把数据包先发给这个地址。
- 它本身就属于这个子网，通常是子网的第一个可用 IP（一般为.1），是子网的管理者。
对应图中的例子 ：
- 家用路由器的 LAN 口 IP：192.168.1.1/24，它下面连接的电脑都是192.168.1.x，同属192.168.1.0/24这个子网。
- 运营商路由器的 LAN 口 IP：10.1.1.1/24，它下面连接的所有家用路由器，都属于10.1.1.0/24这个运营商子网

WAN 口 IP = 上级子网的「主机 IP」

定义：WAN 口是路由器连接外部上级网络的接口，对应的 IP 叫 WAN 口 IP。对上级网络来说，你的路由器只是上级子网里的一台普通设备，WAN 口 IP 就是它在上级网络里的 "身份地址"。
核心本质：WAN 口 IP 不属于本级子网，它是上级网络的一个普通主机 IP。
对应图中的例子 ：
- 家用路由器的 WAN 口 IP：10.1.1.2/24、10.1.1.3/24 ------ 对运营商的10.1.1.0/24子网而言，这些家用路由器和普通电脑没有区别，只是子网里的普通主机，分配了.2、.3的主机号。
- 运营商路由器的 WAN 口 IP：122.77.241.4/24、122.77.241.5/24 ------ 对最上层的公网而言，运营商路由器就是公网里的一台普通设备

a.NAT

NAT 全称：Network Address Translation，网络地址转换

本质是在网关设备（路由器、防火墙）上修改 IP 数据包的源地址或目的地址，同时维护地址映射关系，实现私网与公网之间的互通，解决了IPv4地址枯竭问题

NAT 工作在网络层，核心依赖NAT 映射表，整个过程可以概括为 "出去换源 IP，回来换目的 IP，全靠映射表对应"

核心逻辑

内网主机设备发起公网访问，数据包到达 NAT网关（路由器）
路由器将数据包源IP 修改为路由器的WAN口IP，同时在本地映射表中记录「私网 IP: 端口 → 公网 IP: 端口」的对应关系
数据包转发到公网，目标服务器智只能看到转换后的公网IP，感知不到内网设备
公网返回的响应数据包到达路由器，路由器查询映射表，把目的公网 IP 换回对应的私网 IP，转发给内网设备

b.内网转发的全流程

如上图;

src ：全称 Source，意为「源」
dst ：全称 Destination，意为「目的 / 目标」

服务器回复数据，核心是源 IP 全程不变，目的 IP 每经过一次 NAT 就被换回内层 IP，和去程正好反过来。

公网服务器发出响应包

服务器回复请求，源地址是自己，目的地址是它看到的请求来源（运营商路由器公网 IP）。

src ：122.77.241.3（服务器自身公网 IP）
dst ：122.77.241.4（请求包的源 IP，即运营商路由器 WAN 口）

服务器根本不知道内网的存在，它只能回复给运营商的公网 IP。

运营商路由器做第一次目的地址转换

数据包从 WAN 口进入运营商路由器，路由器查询自己的 NAT 映射表，找到对应会话，修改目的 IP。

转换前：src=122.77.241.3，dst=122.77.241.4
转换后：src=122.77.241.3（源 IP 全程不动），dst=10.1.1.2（家用路由器的 WAN 口 IP）
转换完成后，从 LAN 口转发到运营商内网。

家用路由器做第二次目的地址转换

数据包从 WAN 口进入家用路由器，路由器查询本地 NAT 映射表，找到对应的内网主机。

转换前：src=122.77.241.3，dst=10.1.1.2
转换后：src=122.77.241.3（源 IP 依然不变），dst=192.168.1.201（家庭主机的私网 IP）
转换完成后，从 LAN 口转发给家庭主机。

家庭主机收到响应

主机最终收到的数据包：src=122.77.241.3，dst=192.168.1.201
主机视角：它以为自己直接和公网服务器通信，完全感知不到中间经过了两级 NAT 转换

（2）公网

公网也叫广域网（WAN）、互联网，是由全球各地运营商、机构、个人的网络互相连接组成的全球性公共网络，是我们上网访问外部服务的基础。

核心标识 ：使用公网 IP 地址 ，由国际互联网管理机构统一分配，全球唯一，可直接被互联网上的其他设备寻址和访问。
覆盖范围：无地域限制，跨城市、跨国家、跨运营商，覆盖全球所有接入互联网的节点。
管理主体：由各大运营商、互联网组织分布式维护，没有单一的管理方。
典型场景 ：浏览网页、刷视频、发送邮件、跨境文件传输等所有跨地域的网络交互，都基于公网完成

国外俄罗斯访问目标地址 5.1.16.X

俄罗斯路由器查路由表，匹配到5.0.0.0/8属于中国，下一跳指向中国路由器的 WAN 口，数据包发往国际骨干网
中国国家级路由器收到包，匹配到5.1.0.0/16属于陕西，下一跳指向陕西路由器的 WAN 口，数据包发往国内骨干网
陕西省级路由器收到包，匹配到5.1.16.0/20属于西安，下一跳指向西安路由器的 WAN 口
西安市级路由器收到包，转发到对应内网的目标主机

河北的报文发往 5.1.16.X

河北路由器查路由表，匹配到5.1.0.0/16属于陕西，下一跳指向陕西省级路由器，数据包进入国内骨干网
陕西省级路由器收到包，匹配到5.1.16.0/20属于西安，转发到西安路由器
西安路由器最终转发到目标主机

4.路由

路由就是在复杂的网络拓扑中，为 IP 数据包选择一条通往目标地址的传输路径的过程，是 IP 网络层的核心功能

IP 数据包不需要提前知道完整路径，每到达一个节点（主机 / 路由器），就查询本地的路由表，确认 "下一站往哪走"，然后转发出去，一站一站最终抵达终点。

每个节点只需要知道下一跳，不需要知道全程路径，这是互联网路由的核心设计思想

路由表可以使⽤route命令查看：

默认路由（default） ：特殊的网关路由，目的地址为0.0.0.0/0，是路由表的 "兜底规则"------ 当所有具体路由都匹配失败时，就走默认路由

路由转发的核心算法是最长掩码匹配原则：将目的 IP 和路由表中每条的子网掩码做 "与运算"，得到对应的网络地址；匹配成功的条目中，子网掩码越长（网络位越多），优先级越高

结尾

ok了，这一期关于IP网络层的讲解就到这了，感谢你的学习观看，我们下期再见

【Linux】第15期 讲解IP网络层核心原理与机制

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开头

一.IP协议

1.协议格式

（1）第一行：版本 + 首部长度 + 服务类型 + 总长度

a.4位版本（version）

b.4 位 首部长度（IHL, Internet Header Length）

c.8 位 服务类型（TOS, Type Of Service）