Linux下 网络层IP协议详解

Fcy6482026-10-08 8:50

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文章目录

  • [0. ⽹络层](#0. ⽹络层)
  • [1. IP协议](#1. IP协议)
    • [1.1 基本概念补充](#1.1 基本概念补充)
    • [1.2 几个简单问题入门](#1.2 几个简单问题入门)
      • [1.2.1 初步理解IP作用](#1.2.1 初步理解IP作用)
      • [1.2.2 IP地址的构成和查找目标主机的方法是什么](#1.2.2 IP地址的构成和查找目标主机的方法是什么)
      • [1.2.3 TCP VS IP](#1.2.3 TCP VS IP)
    • [1.3 协议头格式](#1.3 协议头格式)
    • [1.4 ⽹段划分（重要！）](#1.4 ⽹段划分（重要！）)
      • [1.4.1 划分原理](#1.4.1 划分原理)
      • [1.4.2 为什么要进行网段划分？](#1.4.2 为什么要进行网段划分？)
      • [1.4.3 分类划分法](#1.4.3 分类划分法)
      • [1.4.4 CIDR（⽆类别域间路由）](#1.4.4 CIDR（⽆类别域间路由）)
      • [1.4.5 特殊的IP地址](#1.4.5 特殊的IP地址)
    • [1.5 IP地址的数量限制](#1.5 IP地址的数量限制)
    • [1.6 私有IP地址和公⽹IP地址](#1.6 私有IP地址和公⽹IP地址)
    • [1.7 尝试理解公⽹](#1.7 尝试理解公⽹)
    • [1.8 路由（公网）](#1.8 路由（公网）)
  • [2. IP分⽚和组装的具体过程](#2. IP分⽚和组装的具体过程)
    • [2.1 分片](#2.1 分片)
    • [2.2 组装](#2.2 组装)
    • [2.3 如何和为什么要避免分片](#2.3 如何和为什么要避免分片)

0. ⽹络层

在复杂的⽹络环境中确定⼀个合适的路径。

1. IP协议

1.1 基本概念补充

  • 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（ 路由器本质上也是主机的一种 ）;
  • 节点: 主机和路由器的统称;
  • 在网络中 我们一般将 两端称为主机，中间途经的叫 节点

1.2 几个简单问题入门

1.2.1 初步理解IP作用

数据从B->C,中间要经历无数个子网转发，而主机是根据报文中的目的IP，进行路径选择的！

1.2.2 IP地址的构成和查找目标主机的方法是什么

IPV4是由4字节组成的，IP地址 = 目标网络（子网） + 目标主机（子网中的编号）

如学号 = 学院号 + 专业号 + 班级号 + 个人编号组成，这样就能很方便我们找到这个学号对应的人，这也就表明 单纯的数字是能够具有一定的指向性的！

我们要理解的不是单纯一个数字，真正要理解的是网络的组织结构，在这个特定场景下 IP地址才有指向意义！

1.2.3 TCP VS IP

  • IP协议提供了一种能力：把数据包从主机A 跨网络 经过路径选择，路由转发，传送到主机B的能力！

我们要知道什么叫 能力？我们说你有进大厂的能力， 不是说你一定能进大厂，而是 你有极大的概率能做成这件事情！

而光有能力还行！你还得保证可靠性（即知道怎么失败的，失败后怎么改进，怎么做能成功），于是你就找到了你学校导师， 她负责帮你培训，帮你改简历，帮你分析面试失败原因，给你解决方法，直到你顺利进入大厂。

进入大厂，靠的是你自己的能力（相当于IP协议），而保障你能顺利不出岔子，为你进入大厂提供策略的老师就相当于TCP协议 ！一个提供可靠性策略（TCP），而具体落地完成靠的是IP协议！

综上，TCP（提供可靠）+IP（提供能力），就能保障将数据包可靠的从A主机传送到主机B！

1.3 协议头格式

首先要认识：IP本身是内核内的一个结构体：

  • 4位版本号（version） ：指定 IP 协议的版本， 对于 IPv4 来说，就是 4。
  • 4位头部长度（header length） ： IP 头部的长度是多少个 32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit 表示最大的数字是 15，因此 IP 头部最大长度是 60 字节。（有了这个，IP报头和有效载荷分离的问题自然而然就解决了！ ）
  • 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(即 优先选择最便宜的传输路径)。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，整个 IP 数据报的总字节长度 = IP 首部 + IP 数据部分，65535 字节，这就是 IP 数据包最大总长度
  • 16位标识（id） ：(暂时先不管 )
  • 3位标志字段 ：(暂时先不管 )
  • 13位分片偏移（fragment offset） ：(暂时先不管 )
  • 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是TCP还是UDP等（如TCP：6、UDP：17），由发送端来填！。
  • 16位头部校验和 ： 使用 CRC 进行校验，来鉴别头部是否损坏，上层是UDP直接丢不关心，TCP则会重传。
  • 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。
  • 数据 ： UDP或者TCP报文。

1.4 ⽹段划分（重要！）

1.4.1 划分原理

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

路由器有个核心能力（DHCP协议，知道就行）：叫做构建子网（局域网）

  • 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
  • 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

1.4.2 为什么要进行网段划分？

讲个故事： 每个学院由院学会，于是学生会长和该院所有学生拉了个群叫院群，然后学校所有院的学生会长又再一起拉了个校群，其中学号前两位代表学院（如计算机学院是01），后三位代表你是学院里的哪一个！有一天张三（学号01123）捡到个钱包，只有学号（06321），作为 计算机学院的普通一份子，正常人都不会关心其他学院是几开头的，但是知道06不是计算机学院的！于是就在院群@学生会主席，学生会主席虽然不知道321具体是机器学院的谁！但是他知道06是机器学院的！再在校群@机器学院的学生会主席机器学院主席一看是机器学院（06）序号321的学生的，于是就在他们院群@321学号的人，321的学生李四 看到，就说："钱包是我的！"，就此 钱包顺利归还！

在这个故事里面 张三就是源主机；李四就是目标主机；钱包就是报文；学生会主席就是路由器；院群就是内网或者子网；校群就是公网！

报文交给目标主机的 本质其实就是个查找工作 ！而查找的本质就是 淘汰！

我们学习过线性遍历！他查找效率为什么慢？ 因为他一次只淘汰一个！ 而二分为什么快？ 因为他一次淘汰一半！！

而张三决定将学号交给院学生会主席，本质就是 淘汰一整个计算机学院的人！ 而院学生会主席@机器学院学生会主席，本质是 淘汰除机器学院其他学院的所有人！

所以为什么要网段划分？本质 是为了支持我们查找时的快速淘汰！大大提高查找效率！

一次淘汰一整个其他网段，不用遍历全网几十亿台主机，这就是子网划分的根本意义。

1.4.3 分类划分法

  • A类： 0.0.0.0到127.255.255.255
  • B类： 128.0.0.0到191.255.255.255
  • C类： 192.0.0.0到223.255.255.255
  • D类： 224.0.0.0到239.255.255.255
  • E类： 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的⻜速发展,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

分类划分法最大的问题：IP地址使用不充分的问题。

1.4.4 CIDR（⽆类别域间路由）

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):

  • 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;

子网掩码往往是内置在路由器内部！

这个24 就表示其子网掩码为：255.255.255.0(左半部分24个1)

可⻅,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

那么这两种方法冲突吗？？

不冲突！比如说 A机构申请了个A类的地址0000 0111 XXXXX...但是如果我最多只能有2的16方个主机！那么不就有8位浪费了？？

于是我就可以把子网掩码设置成16位，于是我内部不就可以凭白多搭建2的8次方的子网！于是我就能把我的资源在我的内部再次进行好好划分，即在子网里面搭建新的子网！7.0.0.0到7.255.0.0不就是我能新划分的子网吗！

分类划分和子网划分，本质属于粗分和细分！可以通过子网掩码动态调整位数的方式为申请好的A类或者B类网络进行更加精细化的划分！

1.4.5 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

1.5 IP地址的数量限制

我们知道，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？

实际上并非如此，原因有二：

  • 由于一些特殊的 IP 地址的存在，实际可用的数量远不足 43 亿；
  • 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：

  1. 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；
  2. NAT 技术（后面会重点介绍）；
  3. 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 还没有公网环境普及。

1.6 私有IP地址和公⽹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)，当对方服务器返回时，路由器内部会有一个映射表将其原分不动的转换回去！具体细节以后再说。

细节1: 我们所有人，都不可能直接连接公网，我们都是通过先连到局域网中，通过局域网入的公网！

细节2: 私有IP可以重复，但是公网IP是不能重复的！但也因为私有IP可以重复，IP不足问题不就被大大缓解了！

细节3： 内网到公网的过程，途经路由器都会替换src ip，变成自己的WAN口IP！公网内就不做替换，这个替换工作，只在内网转发进行！

1.7 尝试理解公⽹

真实的⽹络结构⾮常复杂，即涉及到划分公⽹IP的组织，ICANN，还要在全球范围内进⾏区域划分，⽐如亚太，北美，欧洲等，⼜要考虑各个国家内部的ISP代理，整体拓扑⾮常复杂， 我们简化所有过程，简单理解公⽹即可。

可以把这张图理解成"从全球互联网一路找到某家公司电脑"的过程。

图中最上方的云是国际互联网 ，俄罗斯、美国、英国、法国、中国、意大利等国家或地区都通过路由器接入这里。每个国家或大型网络拥有一段公网 IP 地址，例如图中用 1.0.0.0/8、2.0.0.0/8、5.0.0.0/8 表示不同的大网络。这里的 /8 表示前 8 位是网络部分，后面的地址可以继续划分。

中国得到 5.0.0.0/8 后，又继续划分成更小的网络。例如：

text 复制代码 
中国公网：5.0.0.0/8
省级网络：5.1.0.0/16
城市网络：5.1.16.0/20
公司对应出口：5.1.16.X

图中的"国家级公网""省内公网""市级部分"可以看成不同层级的道路。路由器通过 BGP 等路由协议互相交换信息，知道"访问 5.1.16.0/20 的数据应该往哪个方向转发"。因此，当国外用户访问 5.1.16.X 时，数据大致会经过：

text 复制代码 
国外网络
→ 国际互联网
→ 中国国家级公网
→ 对应省级网络
→ 对应城市网络
→ 公司出口路由器
→ 公司内部网络

公司出口路由器外侧使用的是公网地址，例如 5.1.16.1；内侧通常使用 192.168.x.x、10.x.x.x 等私网地址。比如公司内部可能是：

text 复制代码 
公司内网：192.168.1.0/24
员工电脑：192.168.1.20
公司出口：公网 IP 5.1.16.1

员工电脑访问互联网时，数据先从 192.168.1.20 发到公司路由器，再由 NAT 把私网地址转换成公网地址 5.1.16.1，然后进入公网。外部网络通常只能看到公司的公网地址，不能直接看到内部的 192.168.1.20。

所以，公网就是不同国家、地区、运营商和组织之间共同连接的、可以通过公网 IP 和路由协议互相到达的网络 。图中的国际公网、国家公网、省级公网和市级公网都属于公网；图中公司内部的 192.168.x.x、10.x.x.x 网络则属于内网。需要注意，图中的地址划分主要是为了教学演示，现实中的公网地址分配并不是简单地"一整个网段对应一个国家"。

1.8 路由（公网）

在复杂的⽹络结构中, 找出⼀条通往终点的路线。

举个例子：小明要去清华大学，问了一个大爷，大爷说不知道（路由表没有），于是告诉你，前面有个大娘（默认路由，一般是其出口即更高级路由器），她知道你可以问她！

大娘告诉你位置说往前走坐公交32路坐两站下车即可（查路由表告诉你下一跳结果），然后下车后问了一个保安，保安说 这里就是（找到目标网络），后面你问保安，5号楼怎么走，保安告诉你左转第一个路口再右转即可（内网转发，根据目的主机进行转发！）

IP数据包的传输过程也和问路一样.

  • 当IP数据包,到达路由器时,路由器会先查看目的IP;
  • 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机,还是需要发送给下一个路由器;
  • 依次反复,一直到达目标IP地址;

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表;

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;

路由表中的最后⼀⾏,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

路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

注意：

  • 如果看到eth0、eth1等则表示网卡设备名。
  • lo：loopback 回环网卡，127.0.0.1，本机自己和自己通信
  • wlan0： 无线 WiFi 网卡（wlan = wireless lan）

转发过程例1：目的地址 192.168.56.3

  • 跟第一行的子网掩码做与运算，得到 192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符；
  • 再跟第二行的子网掩码做与运算，得到 192.168.56.0，正是第二行的目的网络地址，因此从 eth1 接口发送出去；
  • 由于 192.168.56.0/24 正是与 eth1 接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机，不需要经路由器转发。

转发过程例2：目的地址 202.10.1.2

  • 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配；
  • 按缺省路由条目，从 eth0 接口发出去，发往 192.168.10.1 路由器；
  • 由 192.168.10.1 路由器根据它的路由表决定下一跳地址。

2. IP分⽚和组装的具体过程

  • 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，那么每一个分片里面的这个 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（fragment 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）。

给大家个结论：在数据链路层，有效载荷不能超过MTU（1500字节）

2.1 分片

1. 检查 MTU 限制

  • 当一个 IP 数据报的大小超过了网络的 MTU（最大传输单元）限制时，就需要进行分片。MTU 是数据链路层对 IP 层数据包进行封装时所能接受的最大数据长度。

2. 分割数据报

  • IP 层将原始的 IP 数据报分割成多个较小的片段（真正分片是有效载荷在分片 ）。
  • 对于每个片段，IP 层会设置 相应的标识（Identification）、偏移量（Fragment Offset）和标志位（Flags）等字段。
  • 标识字段用于标识属于同一个数据报的不同分片，确保所有分片能够被正确地重新组装。
  • 偏移量字段指示了当前分片相对于原始数据报的起始位置，以 8 字节为单位。
  • 标志位字段包含了 3 个位，其中 MF（More Fragment）位用于指示是否还有更多的分片，DF（Do Not Fragment）位用于指示数据报是否允许进行分片。

3. 添加 IP 头部

  • 每个分片都会加上自己的 IP 头部，与完整 IP 报文拥有类似的 IP 头结构，但 MF 和 Fragment Offset 等字段的值会有所不同。

4. 发送分片

  • 分片在传输过程中独立传输，每个分片都有自己的 IP 头部，并且各自独立地选择路由。

2.2 组装

1. 接收分片

  • 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。

2. 排序与组装

  • 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。

3. 传递给上层协议

  • 组装好的 IP 数据报会传递给上层的协议进行处理。

如何确定分片是齐的：当前分片片偏移 + 自己的长度 = 下一片的片偏移！ 我们最后只需要根据顺序遍历一遍所有分片即可。

2.3 如何和为什么要避免分片

我们不建议分片和组装，第一个是慢！第二点是只要丢一个分片都算丢包，因为分片和组装是网络层的事，觉定要不要发送是传输层的事情，如果分片丢失，那么传输层只能完整重传报文，这么做会增加丢包概率！！

但是是否要分片 不是网络层决定的！是他上层决定的，传输层给他多大他就必须处理多大！这也就是为什么 传输层在滑动窗口里是一小段一小段发送的！就是为了减少分片和组装！！（因为你数据链路层规定MTU是1500，不代表别的路由器规定不会小于1500）

所以说 如果TCP和IP采用标准报头长度的话！TCP数据最大就是1460（称为MSS 最大段尺寸！）

即双方通信的时候 如果双方能得知对方的MSS就能保证以更好的效率进行传输，那么怎么得到对方的MSS呢？ 其实在三次握手的时候，TCP的报头选项里面有字段专门传输MSS。

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