【计算机网络】网络层之IP协议

1.基本概念

IP地址是定位主机的，具有一个将数据报从A主机跨网络可靠的送到B主机的能力。

但是有能力就一定能做到吗，只能说有很大的概率。

我们这里举一个例子来说明TCP和IP分别扮演的角色

比如张三是一个数学可以考满分能力的人，他的父亲是教导主任，要求他数学比如每次考到满分，但是张三偶尔还是会失误没有达到满分，所以为了达到每次都考满分的要求，他的父亲选择重考，直到张三考到满分为止。在这个故事中张三的父亲就扮演了TCP的角色，为IP提供策略，而张三扮演了IP的角色，用于执行行动

主机: 配有IP地址, 但是不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; 节点: 主机和路由器的统称;

IP:将数据从A主机跨网络送到B主机，在这个过程中需要进行路径选择，在路径选择中目的IP非常重要，决定了我们的路径如何走。

IP = 目标网络 + 目标主机

2.协议头格式

1.如何将报头和有效载荷分离，如何进行交互？

先提取前20个字节，再获取4为首部长度，基本单位是4字节，和TCP一样，IP的报文的范围为[20,60]字节，这样就将报头和有效数据进行了分离，8位协议决定了向上交互给哪一个协议。

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.

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. 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.

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(framegament 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).

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

16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.

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

理解16位标识，3位标志，13位片偏移

数据链路层，MAC帧协议，要求自己的有效载荷不能超过1500字节(MTU)

但是IP不能决定单个报文的大小，在网络中决定单个报文大小的是TCP，所以当TCP报文向下进行交互的时候，如果大于1500字节，那么IP层就需要对报文进行分片，然后对端的IP层又要对报文进行组装，即分：自己的IP层。

组：对端的IP层。这是因为TCP && MAC并不关心IP进行了分片。IP分片与组装不是主流情况

那么如何进行分片？如何进行组装？

这里由16位标识，3位标志，13位片偏移来完成。

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(framegament 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).。

我们先回答如下问题：

1.我们是怎么知道一个报文被分片了？

如果更多分片是1，就证明该标识的报文分片了

如果更多分片是0 && 片偏移 > 0说明是分片，否则不是

2.同一个报文的分片怎么识别出来？

同一个报文的分片他们的16为标识相同

3.哪一个是第一个，哪一个是最后一个分片，怎么确定有没有收全或者丢失？

第一个：更多分片是1，片偏移为0

最后一个：更多分片是0，片偏移 > 0

当前的起始位置 + 自身的长度 = 下一个报文中填充的偏移量大小，不相等就说明丢失了

4.哪个在前，哪个在后，如何进行正确的组装？

只要按照片偏移进行升序即可

5.怎么保证合起来的报文是正确的？

根据TCP/IP的校验和

6.分片好吗？对TCP和UDP包括IP本身有什么影响？

不好，一个报文被拆成多个，任意一个报文的分片丢失，就会造成拼装组装的失败，进而导致对端对整个报文进行重传

假设传送成功的概率为99%，一个报文被分为3片，那么传输成功的概率

99% * 99% * 99% < 99% ，分片的概率增加丢包概率

3.网段划分

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;

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.

一般的路由器都带有DHCP功能. 因此路由器也可以看做一个DHCP服务器.

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类, 如下图所示(该图出 自[TCPIP])。

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

下面我们以一个例子来理解子网划分：

我们使用前三位代表学院号，后5为代表编号，每个学院都有学院群，学院群就相当于局域网，每个学院都有一个学生主席，他们就好比路由器，他们都在校学生会群里，校学生会群就相当于公网。假如张三是理学院的一幕学生，捡到了一个钱包，里面有学生证，但是照片很模糊了，只能看到学号，上面写着110 00001，张三对比前三位学号，发现不是自己学院的，所以就发给了学生会主席，然后学生会主席知道是电子信息工程学院的，就@电子信息工程学院的学生会主席，然后再由电子信息工程学院的学生会主席发到电子信息工程学院的群里，然后李四就发现是自己的，最终就找到了丢失的钱包。张三和李四就相当于两台主机。

所以，互联网中的每一台主机，都要隶属于某一个子网。子网划分可以方便进行定位主机，排除的效率高。

随着Internet的飞速发展,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.

针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

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

一般在一个网络中，管理子网中的IP的设备通常是路由器

目标网络和子网掩码，子网中的主机，通常会被路由器管理

目标网络和子网掩码其实就是由路由器配置的

可见,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

4.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

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, 由于一些特殊的IP地址的存在, 数量远不足43亿; 另外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

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;

NAT技术

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还没有普及;

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)。WAN口IP对外，LAN口IP对内

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).

如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.

在上图中，我们以左边第一台主机访问最上面的主机为例，下列是各个主机的源IP和目的IP

src:192.168.1.201
dst:122.77.241.3

src:10.1.1.2
dst:122.77.241.3

src:122.77.241.4
dst:122.77.241.3

src:122.77.241.4
dst:122.77.241.3
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路由器有如下的功能：转发，DHCP | 组建局域网 配置无线网络，设置网络名称 + 密码 NAT

7.路由

路由就是在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;

就向唐僧取经一样，在路途中不断的问路。

路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) “问路” 的过程.

所谓 “一跳” 就是数据链路层中的一个区间. 具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间

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。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络;

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;

转发的过程：

1.遍历路由表

2.目的IP & 路由表中配置的Genmask，确定该报文要去的目标网络

3.对比结果和Destination

4.通过IFace接口发出报文

转发过程例1: 如果要发送的数据包的目的地址是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: 如果要发送的数据包的目的地址是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;

路由表生成算法

路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由).

相关的算法有距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等.