Linux——IP协议与路由选择

一、IP协议

IP协议：网络层协议

协议版本：描述当前协议版本（IPV4、IPV6....）
头部长度：描述IP报文的头部长度；最小20字节，最大60字节
服务类型 ：
报文长度：描述IP报文长度；最小20B，最大64K
分片标识 ：用于IP报文分片
- 当上层交付的数据过大，封装后的IP报文长度超过链路MTU限制时，报文会在网络层被切分为多个小分片，每个分片都封装独立IP报头后发送
- 分片将在接收端重组，该字段用于标识分片归属哪一个原始IP报文
分片标志 ：
- 第1位为保留位，必须置 0
- 第2位DF位，标识是否允许分片
- 第3位MF位，标识当前分片是否为原始报文的最后一个分片
分片偏移 ：以8字节为单位，描述当前分片的数据在原始IP报文数据部分中的起始相对偏移量
- 由于分片偏移的单位是8B，除最后一个分片外，其余分片的数据长度必须是8字节的整数倍
TTL生命周期 ：规定报文在网络中最多可以经过的路由器跳数
- 每经过一台路由器，TTL值减1；当TTL减为0时，报文会被丢弃
- 作用：防止IP报文在网络环路里无限循环转发
上层协议：标记IP报文数据部分对应的上层协议，决定了接收端该把IP的数据交给哪个传输层协议处理
校验和：校验数据一致性
源端IP+对端IP：描述数据从哪个主机来、到哪个主机去

二、IP地址

（一）IP地址的组成

IP地址是网络中一台主机的唯一标识，同一个网络内主机的 IP 地址是不允许重复的；为了解决 IP 地址分配冲突问题，按照不同网络分配对应的IP地址

IP 地址的组成 ：网络号 + 主机号；例如：127.0.0.1

网络号：网络的身份标识，同一网段内所有 IP 地址都带有相同的网络号

主机号：IP地址中除去网络号后的剩余部分，用来区分同一网络里不同的主机

（二）网络划分

1.早期网络划分

早期的网络划分：将网络分为五大类（IPv4 地址：4 字节，32 比特位）

A类网络：固定1位置为0；剩余7位作为网络号（0~127）、24位作为主机号
- IP范围：0.0.0.0~127.255.255.255
B 类网络：固定2位置为10；剩余14位作为网络号（128.0~ 191.255）、16位作为主机号
- IP范围：128.0.0.0~191.255.255.255
C 类网络：固定3位置为110；剩余21位作为网络号（192.0.0~ 223.255.255）、8 位作为主机号
- IP范围：192.0.0.0~223.255.255.255
D 类网络：1110xxxx，用于组播通信，不区分网络号与主机号
- IP范围：224.0.0.0~239.255.255.255
E 类网络：1111xxxx，保留做实验与研究使用
- IP范围：240.0.0.0~225.255.255.25

2.CIDR方案

CIDR方案：现在的网络划分方式（在原来的基础上进行了细分的网络方式）

核心技术点：引入子网掩码

子网掩码：由一串连续的二进制1组成的一个数字，用于表示一个IP地址中哪些位都是网络号

子网掩码与IP地址二进制相与，得到的就是网络号
子网掩码取反后，与IP地址二进制相与，得到的就是主机号
子网掩码用于划分子网，子网掩码取反+1 就是该网络中主机号的个数

例如：

C类地址：192.168.146.1；子网掩码：255.255.255.0

网络号：192.168.146.1 & 255.255.255.0 => 192.168.146.0

主机号：192.168.146.1 & ~255.255.255.0 = 192.168.146.1 & 0.0.0.255 => 1

在一个网络中，有2个主机号是不分配给主机的：一个是主机号全为0，一个是主机号全为1

主机号为0的IP地址是网络号
主机号全为1的IP地址是局域网广播地址（比如UDP广播）

（三）特殊IP地址

0.0.0.0：表示当前主机上，所有的网卡地址；常用于网络服务端的绑定监听地址，绑定了该地址的指定端口，则意味着该主机上所有网卡收到的指定端口的数据，都会给这个socket

127.0.0.1：127网络中的地址都是用于网络测试的地址（虚拟回环网卡的地址）

主机号全为0的地址：网络号（不分配给主机，是一个网络的标识）

主机号权威1的地址：局域网广播地址

（四）公网（外网）与私网（内网）

公网：就是通常所说的互联网，全球大家互相能够通信的网络

私网：是个人或机构组织组建的一种内部通信网络

用于组建私网的网络：为了避免私网与公网的IP地址冲突，因此决定必须有一些网络专门只能用于组建私网，不在公网内分配

10.0.0.0：A类网络
172.16.0.0~172.31.0.0：B类网络，组建中型私网
192.168.0~192.168.255：C类网络，组建小型私网

三、路由选择

每个路由器中都维护一张路由表，表项包含：网络号、子网掩码、连接该网络的网卡、下一跳地址等信息

路由匹配流程：将数据包中的目的IP地址，和路由表每一条的子网掩码做按位与运算，把运算结果和该条目的网络号进行比较

如果一致，则说明目的主机属于这个网段，从对应接口转发数据包
多条匹配时遵循最长掩码匹配原则，都不匹配则走默认路由

数据包跨网转发时，现在绝大多数网络使用NAPT（网络地址端口转换）

NAPT作用：内网多台主机公用同一个公网IP访问外网，节约公网IP
转发规则：数据包出内网时，把源IP+源端口转换成路由器的公网IP+新端口；回程包再根据端口映射转回内网主机