【网络原理】网络层IP协议 | IP报文格式 | IP地址 | 地址管理 | 路由选择_ip数据报文格式

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网络层

• 在复杂的网络环境中确定一个合适的路径

网络层主要做的事情有两方面：

• 1.地址管理 ： 指定一系列的规则，通过地址，描述出网络上一个设备的位置。
• 2.路由选择 ：网络环境是比较复杂的，从一个节点，到另一个节点之间存在很多条不同的路径。就需要通过这种方式，筛选/规划出更合适的路径进行数据的传输。

一、IP协议

1.IP协议报文格式

• 四位版本号：4->ipv4 ; 6->ipv6 当前大规模使用的两个版本
• 四位首部长度：IP协议的报头，也是变长的 （0~0xf 也就是0-15）在此基础上*4 = 0~ 60 个字节
• 8位服务类型（TOS）:能够让IP协议切换形态。3位已被弃用。只有4位TOS字段有效，这四个位彼此是冲突的，只有一位能设为1 ，不同的位设为1表示IP协议不同的形态。还有1位保留字段（必须设为0）。

四个状态：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本

• 16位总长度（字节数）：描述了IP数据包最长是多长。IP协议也存在64KB大小的限制，但是IP协议自身支持“拆包组包”功能。

• 16位标识、3位标志位、13位片偏移：依靠这三个属性来实现“拆包组包”

  16位标识：如果一个大的IP数据包需要拆分成多个小的。拆出来的这些小包的16位标识的数值就是相同的

  13位片偏移：描述当前每个小的数据报（分片）的相对位置。片偏移越小，这个数据分片就越靠前。

  3位标志位 ：有一位表示是否允许拆包，还有一位表示是否是最后一个包，剩下的一个是保留位。

• 8位生存时间（TTL）:描述了当前这个数据包，在网络上还能存活多久。TTL的单位是次数。数据包构造出来的时候，TTL会被设置成一个初始值（32、64、128…）数据报在转发的过程中，每次经过一个路由器转发，TTL就会-1。换句话说，就是描述这个数据包，能够经过多少个路由器。如果这个数据报，把TTL耗尽了都没有到达，就会被丢弃掉。

  对网络进行了兜底。如果存在一个不存在的地址，耗尽TTL后，就不会再网络上一直传递

• 8位协议：描述的是，IP数据包的载荷部分是UDP数据包，还是TCP数据包（传输层是哪个协议）

• 16位首部校验和：这个校验和只校验IP协议的头部,不管IP的载荷。（载荷就TCP/UDP，本身就有校验和）

• 32位源IP地址、32位目的IP地址 （IP数据报中最关键的内容）：IP地址本质上就是一个32位的整数。为了方便理解，会写作 点分十进制的方式。

2.地址管理

IP地址，是一个32位的整数。0~2^32 ，42亿9千万。

地址理论上来说，是不应该重复的，所以这个数远远不够需求

IP地址不够用的解决方法：

1.动态分配IP：过渡方案，目前仍广泛存在。

​ 治标不治本，只是提高了IP地址的利用率，并没有增加IP地址的数目

2.NAT机制（网络地址转换）

​ 本质上，让一个IP地址，来代表一批设备。

把IP地址分成两个大类：

1.内网IP(局域网IP)

​ 如果一个地址，是以10.* 或者172.16.* ~ 172.31.* 或者 192.168.* 就是内网IP

​ 在同一个局域网之间，内网IP之间是不能重复的。

​ 在不同的局域网中，内网IP之间是可以重复的。

2.外网IP(广域网IP)

​ 剩下的IP就是外网IP，是唯一的，不能重复。

局域网使用一个外网IP，一个外网IP就代表了成千上万个设备

例如快递的地址，是公用一个快递驿站

​ 内网IP无法在广域网上使用，在经过运营商路由器时（也是一个NAT设备），就会对数据包报头的源IP地址进行替换，转换成外网IP。站在服务器的视角，看到的发送方IP就是局域网对应的外网IP。运营商路由器内部，会记录一个映射关系，记录内网IP和外网IP的转换。当报文返回后，就需要把IP再替换回去。

​ NAT设备（运营商路由器）就相当于是一个中转站，发送和接收经过时都会替换IP地址。

当服务器返回数据之后，路由器如何决定这个数据要交给哪个设备？

• 通过端口号来进行区分，端口号不仅可以区分同一台主机的不同进程，也可以区分不同主机的不同进程。

快递驿站通过电话号，进行具体的区分

• 如果两个设备的分配的源端口号一样，路由器也会主动把相同的端口，替换成不同的端口

当前的网络环境，就是以NAT+动态分配的方式来解决IP地址不够用的情况。NAT机制最大的优势，就是“纯软件方案”。

3.IPv6

IPv6使用16个字节来表示IP地址。IP地址数量成指数增长，解决了IP不够用的问题。

IPv4是4个字节 ：2^32

IPv6是16个字节：2^128 = 2^32 *2^32 * 2^32 * 2^32

4.网段划分

​ 把一个IP地址分成两个部分：

​ 网络号（标识了一个局域网）+ 主机号（标识了局域网中的一个设备）

• 同一个局域网的设备IP，网络号必须相同，主机号必须不同。
• 通过一个路由器连接的两个局域网，网络号不能相同

5.子网掩码

255.255.255.0
11111111 11111111 11111111 00000000
1
2

子网掩码用来区分网络号

也是一个32位的整数。左侧都是1，右侧都是0。不会10交替。

被标记为1的部分，就是网络号。这里的1不一定是24个，可以根据网络环境进行配置。

6.特殊的IP地址

如果一个IP地址，主机号全0，当前这个IP就表示“网络号”，代表当前的局域网，不能划分给主机

192.168.100.0
255.255.255.0
1
2

如果一个IP地址，主机号全1，表示当前这个IP就是一个“广播地址，同样不能给主机分配

192.168.100.255
255.255.255.0
1
2

​ 之前提到，UDP天然支持广播，使用UDP socket给这个地址发送UDP数据报，此时局域网内所有的设备，都能收到这个设备。TCP则无法和这个地址建立连接。

如果一个IP地址是127开头的，这个IP就是"环回IP" (loopback)

127.0.0.1
1

​ 设备自己发给自己，本质上是操作系统提供了一个特殊的“虚拟网卡”，关联到了这个IP上。主要的用途，进行一些测试性工作。能排除网络不通的因素，方便排查代码的问题。

3.路由选择

• 描述了IP协议（IP数据报）转发的过程

A->B中间可能会有很多条可行的路径，具体该怎么走。

​ IP数据报转发的时候，每个路由器都是无法知道网络的“全貌”的，只知道一些局部信息（一个路由器能够知道哪些设备和它是相连的）。这就意味着，IP数据报在转发过程中，是“探索式”的过程。很难得到“最优解”，只能是“较优解”

​ 一个网络层的数据报，每到达一个路由器，都会进行“问路”。每个路由器每部都有一个数据结构叫“路由表”，根据数据报当中的目的IP,查路由表。如果查到了 ，就直接按照表给的方向（从哪个网络接口进行转发）继续准发。如果没查到，路由表里有一个“默认的表项”（下一跳地址），按照默认的表项进行转发。

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