IP报文发送过程和原理_ip报文转发过程

1.IP的概念

1.1IP，主机与路由器

IP=网络号+主机号。
主机：配有IP地址，可以进行路由控制的设备。
路由器：配有IP地址，主要进行路由控制的设备。
节点：主机和路由器的统称。

1.2IP与TCP的对比

TCP解决的是数据传输的决策问题，IP则提供了一种能力，即将数据从主机跨网络传送到另一台主机的能力。IP不提供任何可靠性机制。可以理解为IP是一个执行者，而TCP是一个决策者。

2.IP报头

2.1IP报头格式

2.2各部分作用

四位首部长度：IP协议中的四位首部长度与TCP中的首部长度的作用一样，可以实现报头与报文的分离，单位也是4个字节，当没有选项的时候，四位首部长度的值为1010。
源IP与目的IP：通过源IP地址和目的IP地址可以得知，IP报文的来源以及交给哪一台主机。
16位总长度：这个总长度是和UDP报文是相同的，表示整个报文的大小，同时也说明IP报文不是面向字节流的，说TCP是面向字节流的，是站在应用层的角度来看待的。
4位版本号：指定IP协议的版本，通常来说是4，表示IPv4。
8位服务类型：3位优先权字段(已经弃用)，4位TOC字段和1位保留字段(必须为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，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位标识：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，那么每一个片里面的这个id是相同的。
3位标志字段：第一位保留(保留的意思是限制不用，但是不好说以后会不会用到)。第二位置的为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，如果分片的话最后一个分片置为0，否则为1，类似一个结束标记。
13位分片偏移：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)。
8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由，TTL-=1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了，这个字段主要用来防止出现路由循环。
8位协议：表示上层协议的类型。
16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。

2.3IPv4与IPv6

IPv6是更高一级的IP版本，但是现在我们使用的基本都是IPv4，全面普及IPv6暂时不现实。只能慢慢地迁移。

2.4一跳

当报文由一个节点交付给下一个节点的时候，称为数据包的一跳。

2.5 8位生存时间

游离报文：当一个报文在进行发送的时候，双方关闭网线，就会形成游离报文。如果游离报文发现网线关闭，就可能被丢弃，但是如果没有发现网线关闭，就有可能在几个节点的环路中来回跳转，每跳转一次都会消耗一定的资源，当网络中积攒了大量游离报文就有可能造成网络的崩溃。
因此引入了8位生存时间，它表示的是一共能够发生几次跳转，当达到跳转上限的时候，报文会自动销毁。

2.6 分片问题

2.6.1分片的方式与原因

因为IP网络层也不是最终要发送报文的一层，发送保卫由下一层即数据链路层来实现。数据链路层规定，一次向网络中发送的报文的大小最大是MTU：1500字节。
那么如果TCP传给IP的数据太多，导致IP报文太大怎么处理呢？注意IP是面向数据报的，而不是面向字节流的。
这个时候就需要将IP报文进行分片操作了，分片之后由对端的IP层来进行组装。
比如IP的数据是3400个字节，此时就需要对此IP报文进行分片操作：

分片的过程就是将原有的报头提出，作为其中一个子报文的首部，然后将数据分为几个1480部分，并为它们添加报头。
这一过程是IP层做的，与传输层无关，传输层也不需要知道。

2.6.2分片的缺点

分片会提高丢包的风险，因为是将报文分几份来进行发送的。如果不想分片是由谁来决定呢？
答案是传输层，因为传输层才是数据发送的控制部分，他可以决定数据什么时候发，发多少的问题。
注意UDP协议的话，如果数据太多，那么只能进行分片，但是如果是TCP协议的话，因为有缓冲区，因此是可以进行控制不分片的。

2.7 组装问题

2.7.1 16位标识

当分片的报文到达对端的时候，就需要进行报文的组装了。此时IP报文中的16位标识开始发挥作用，来源于同一报文的分片报文，它们的16位标识符是一样的，这样就可以进行分堆，比如这一批报文都是来自于一个IP报文分片产生的。

2.7.2 13位偏移

有了16位标识，是远远不够的，因为只能区分哪些报文时一起的，但是无法判断报文的组合顺序。因此需要引入位偏移。它表示的是有效载荷在原始报文有效载荷的偏移量。根据偏移量进行升序排序即可。

比如将一个IP报文拆分成这三个部分，那么它们的位偏移就分别为0,1480,2960。

2.7.3 3位标志

我们发现，当报文发生了丢失就可以通过偏移量来发现，因为如果首报文丢失或者中间报文丢失，偏移量是连接不上的(每个IP报文都有自己的数据大小，IP报文数据大小+IP报文的偏移量=下一个报文的偏移量)。
但是如果是尾部丢失了呢？该如何查找呢？
因此引入了3位标志，其中1位保留，一位表示禁止分片，最后一位就表示是否有更多的报文，当最后一位为1的话，就表示有更多的报文，如果为0的话就表示没有更多的报文了。

3.网段的划分

3.1网络号与主机号

比如对于192.168.128.10这台主机，它所在的网段号是192.168.128，它的主机号是10。
网络号：保证相互链接的两个网段具有不同的标识。
主机号：同一个网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
同一个网段的两个主机，网段号相同，主机号不同。

3.2通信的过程

当一台主机想像另一台主机发消息的时候，会首先查看自己的网络号与当前局域网的网络号是否相同，如果不相同，就会到路由器构成的网络中去查找哪个网络号符合条件，找到符合条件的网络号之后，再到该网络号对应的局域网中根据主机号找到对应的主机。
手动为子网内新增的主机分配节点IP地址时很复杂的事情，有一种技术称为DHCP，能够自动的给子网内新增的主机节点分配IP地址，一般路由器都带有DHCP功能·，因此路由器也可以看做一个DHCP服务器。

3.3划分网络号与主机号

3.3.1最初的划分方法

过去曾经提出过一种划分网络号和主机号的方案，把所有的IP分为5类：

随着网络的发展，大多数组织都申请B类网络地址，这就导致B类的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。
然而在实际的网络中，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。

3.3.2CIDR划分

针对这种情况，提出了新的划分方案，称为CIDR。

引入一个额外的子网掩码，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地址时A类，B类还是C类无关。

总结来说就是：人为定义一个子网掩码，并规定子网掩码从左到右必须是连续的1或者0(通常首位为1)，从而根据网段中的主机量来控制网络号和主机号。
举个例子：比如某一个局域网内有256台主机，假设它的网络号被设定为140.252.20.0，那么在该网络的主机的IP范围就是140.252.20.0~140.252.20.255，正好256台。其中每一台主机按位与上该局域网的子网掩码都可以得到网络号，此时子网掩码的值是255.255.255.0。
还有一种更加简洁的表示方式：140.252.20.68/24表示的是IP地址为140.252.20.68，并且子网掩码的高24位时1，即255.255.255.0

4.特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址都设为0，就变成了网络号，代表整个局域网。
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.*的地址用于本机轮回测试，通常是127.0.0.1

5.私有IP和公有IP

5.1 常用的分配IP地址的方法

IP地址是一个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协议规定所有主机都要有IP地址，这就会出现僧多粥少的情况。虽然我们使用了CIDR划分，但是治标不治本，32位的IP是不能改变的。
因此我们使用三种方式来分配IP地址：

1.动态分配IP地址，当一个设备接入网络之后，再为其分配IP地址，不过对于我们购买的云服务器来说，IP地址基本是一个。
2.NAT技术。
3.IPv6：IPv6不是IPv4的升级版，这是两个无关的协议，IPv6使用16个字节128位表示一个IP地址，但是IPv6还没有普及。
4.IP地址的复用(即公有IP和私有IP),下面来详细介绍。

在整个的大网络中，我们会发现，不同的局域网中可以有相同IP的主机。同时我们会发现一个路由器有两份IP地址。这是因为路由器是横跨两个网段的，它可以是该局域网的一部分(网络号和局域网一致)，也可以作为一台主机和外面的其他路由器共同构成一个局域网(网络号与更大的局域网一致)。

5.2路由表

5.2.1查看路由表

当路由器收到IP报文的时候，该如何处理呢？通过查看路由表来判断IP报文的下一跳在哪里。

任意一个节点都有路由表(主机也可以)。
一个路由器至少有两个IP地址，也可以有多个。

我们可以通过route命令来查看我们主机的路由表：

Destination:目标子网号。
Geteway:目标路由器。
Genmask:子网掩码。
Flags:U表示正在被使用，G表示路由器。没有G表示目的网络地址时与本机直接相连的网络，不必经过路由转发。
Iface:表示接口。

5.2.2路由表的使用

当路由器收到报文的时候，会将其目的IP与各子网掩码做按位与，得到的网络号与Destination作比较：
1.如果相等，则通过接口Iface将其发送到对应网段的同一接口的主机(路由器)上(接口的另一端)，再进行路由查询。
2.当网络号与所有的Destination都不同的时候，进行路由器就会将报文丢给默认路由器，也称为默认下一跳，即Destination为default所对应的IP地址，它表示的是一个路由器。
注意，默认路由器都是运营商自己设定好了的，通过路由器一定能最终到达目标网络。

5.3报文发送过程

报文发送的过程其实就是一个不断进行路由查询的过程，当找到对应网段之后(即子网掩码与目的IP按位与得到的网络号与该网段的网络号相等)则进入内网，通过IP地址找到对应的主机。