【Linux】网络层协议——IP

一、IP协议

       在前面，我们学习了应用层和传输层，接下来，我们来学习网络层，网络层的主要功能是在复杂的网络环境中确定一个合适的路由。

1.1 IP协议的基本概念

• 主机：配有IP地址，有可以进行路由控制的设备
• 路由器：配有IP地址，又能进行路由控制
• 节点：主机和路由器的统称

1.2 IP协议头的格式

• 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4
• 4位头部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就是4的字节数，4bit表示的最大数字是15，因此IP头部最大的长度是60字节
• 8位服务类型：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分别表示为：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这个四者相互冲突，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：IP数据报整体占多少个字节
• 16位标识：唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层中被分片了，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同，但是还没想好，说不定在以后就要用到）；第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文的长度超过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，其他都是1，类似于一个结束标记。
• 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源报文中处在哪个位置，实际偏移的字节数是这个值乘以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：数据报达到目的地的最大报文跳数，一般都是64，每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没有到达的话，就可以将其丢弃，这个字段主要是用来防止出现路由循环的
• 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）

二、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：用一个网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须要有不同的主机号
• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
• 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是一个相互麻烦的事情。

• 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，

       但是这种方式是比较浪费的，因为随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显示出来，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类却浪费了大量的地址。

• 例如，申请了一个B类地址， 理论上一个子网内能允许6万5千多台个主机，A类地址的子网内的主机数更多。
• 然而实际的网络架设中，不会存在一个子网内有那么多的情况，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：

• 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地址是A类、B类还是C类无关

三、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地址用于本地环回测试，通常是127.0.0.1，其不走到网络，在IP层直接走到上层交付

3.1 IP地址的数量限制

       我们知道，IPv4版本的IP地址是一个字节数为32位的正整数，那么一共有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右，但是TCP/IP协议规定每一个主机都要有一个IP地址，这就意味着一共只有43亿台主机能介入网络中吗？？

       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进行配置的，而是每一个网卡中都需要配置一个或者多个IP地址，CIDR（子网掩码）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地址的绝对上限数量没有增加），仍然是不够用的，现在有三种方式来解决这个问题：

• 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：后面再说
• IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版本，他们两个毫不相关，彼此并不兼容，IPv6使用16字节128位来表示一个IP地址，从源头上解决了IPv4数量不同的问题，但是目前IPv6还没有普及。

3.2 私有IP地址和公有IP地址

       如果一个组织内组建局域网，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RFC1918中规定了用于组建局域网的私有IP地址。

3.2.1 私有IP地址的范围

       私有IP地址的范围：（包含在这个范围中的地址都称为私有IP地址，其余的全部称为全局IP地址或者公网IP地址）

• 10.* ：前8位是网络号，一共有16777216个地址
• 172.16. * 到 172.31. * ：前12位是网络号，一共有1048576个地址
• 192.168. *：前16位是网络号，一共有65536个地址

3.2.2 结合私有IP地址和公有IP地址

       我们来回顾一下之前的知识点：IP地址是给目标服务器提供最终的地址，主机定位和路由；IP地址等于目标网络 + 目标主机；网络是被运营商精心设计的；网段划分：分类划分法和子网掩码；为什么要进行网络划分，目的是为了给出子网地址，进行路由查找的功能，先查找子网，再查找目标主机。

运营商的工作是非常重要的。

• 一个路由器中可以配置多个IP地址（至少两个以上），一个是WAN口IP，连接外部地址，一个是LAN口IP；我们在进行路由器的消息转发的时候，由于内网IP不能出现公网中，我们的报文在路由器中进行转发的时候，需要使用WAN口IP来替换报文中的源IP地址。
• 路由器的LAN口连接的主机都从属于当前这个路由器的子网中
• 不同的路由器中，子网IP地址其实都是一样的（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地址就可以进行重复
• 每一个家用路由器，其实又作为了运营商路由器的子网的一个节点，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的WAN口IP就是一个公网IP
• 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（替换成为WAN口IP地址），这样进行逐级替换，最终数据报中的IP地址成为一个公网IP地址，这种技术就称为NAT（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，就需要把程序部署到一条具有外网IP地址的服务器上，这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买

3.3 路由

基本概念：在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

例子一：

       我们可以来举个例子，在最近《黑神话-悟空》比较火热，拿唐僧去西天取西经，唐僧在去往西天的途中，会经过不同的地方，每到一个地方都需要询问去西天怎么走，他的这个路由就是一跳一跳的问路的过程，所谓的这一跳就是数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指的是从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

       但是这里我们还没有学习MAC帧的概念，这里需要注意的是在数据链路层中每经过一个区间，我们都需要将源MAC地址和目的MAC地址进行改变。要区别IP和MAC帧

IP数据报的传输过程和这个问路相似：

• 当IP数据报到达路由器时，路由器会先查看目的IP
• 路由器决定将这个数据报是能直接发送给目标主机的，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

       那么如何判断当前这个数据报应该发送到哪里呢？？这个就依靠每一个节点内部维护一个路由表

例子二：

• 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个部分组成，当目的地址与路由表中其他行都不匹配时，就按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：

四、报文分片

4.1 在接收方的角度来看待分片

我们在网络中会收到大量的IP报文，多个客户端发送的IP报文，有的报文分片了，有的报文没有分片。

4.1.1 如何确定该报文是否分片

报文没有进行分片：

       我们可以根据报文中的标志位来判断该报文是否分片了，更多分片 == 0 并且 片偏移 == 0

报文进行分片：

       当报文进行分片的话，报文一共有三种情况：第一片，中间片，最后一片。每一个报文分片都有一个标识，该标识是一样的。

• 第一片：更多分片 == 1 并且 片偏移 == 0
• 中间片：更多分片 == 1 并且 片偏移 != 0
• 最后一片：更多分片 == 0 并且 片偏移 != 0

4.1.2 保证收到所有的分片

       我们可以根据片偏移来进行组装分片，因为片偏移是升序排序的。

4.1.3 分片进行组装交付

4.2 在发送方的角度来看待分片

       我们在进行分片的时候，不能简简单单地直接将报文直接进行分片，因为IP报文即使进行了分片，这个IP报文还是IP报文，所以这个IP报文还是要带上其报头。在进行计算分片报文的大小还是要加上报文的大小。