【Linux网络编程】网络层 | IP协议 | 网段划分 | 私有IP和公有IP | NAT技术

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IP协议

IP的意义：IP地址将数据从B主机跨网络可靠的发送给主机C

这里和传输层联系一下：传输层提供的是策略，网络层提供能力。

IP地址格式：XXX.YYY.ZZZ.AAA，ip=网络号+主机号

在Linux系统中，可通过ifconfig来查看当前IP地址：(云服务器中查出来的是内网IP)

IP协议报头格式

报头和数据如何进行分离？
4 位首部长度: IP 头部的长度是多少个 32bit, 也就是长度 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。
如果此时IP首部长度就是20字节，4位首部长度应该是5，对应的二进制为0101
在读到一个IP报文时，先无脑读出20个标准长度，然后读出4位首部长度，这4位首部长度-标准长度就是选项，然后再将选项和数据进行分离；如果4位首部长度-标准长度为0，表示没有选项，那么剩下的就是数据。

IP报文如何分用？
8位协议：表示上层协议的类型
IP根据8位协议向上交付。

4位版本：指定 IP 协议的版本, 对于 IPv4 来说, 就是 4

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: 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.

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。

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: 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).

网段划分

IP地址=网络号+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

路由器功能：

1. 路由功能
2. 构建子网（路由器自己构建的私有IP）

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。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。

两种网段划分方式：

1. 传统划分： 把所有 IP 地址分为五类
   
   • 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

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.

2. 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
     
     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

上述两种网络划分方式市面上大多数教材都有提到。

为什么需要进行网段划分？

• IP是一个有用且有限的资源，因此需要经过合理的划分来给不同区域使用。
• 通过划分好的网段，可以高效支持未来的报文路径查找，大大提高查找目标主机的效率。

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

IP 地址的数量限制

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。三种解决方案：

• 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。

私有IP和公有IP

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)。

每一个主机都有自己的私有IP，不能出现在公网中，但是私有IP可以重复。虽然 存在公网，但是上网的 时候都必须先接入一个指定的私网（内网）中，一般都是运营商可以接入公网中。

家用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)，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，WAN口连接的是运营商。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. 但是子网之间的 IP 地址就可以重复了.

运营商路由器称之为出入口路由器，WAN口IP是公网的IP。

因此网络世界=内网+公网构成的。

理解私有IP不能出现在公网上：
以下图为例，主机的源端口为192.168.1.201，目的端口为122.77.241.3，当前主机所处的网络号为192.168.1.0，但是目的端口所处的网络号为122.77.241.0，因此需要通过家用路由器转出去，转到运营商路由器。运营商路由器此时的子网为10.1.1.1，不是目标端口的子网号，因此需要通过运营商路由器转出去，在公网环境转发到服务器中。

因此，任何一台主机都能知道和自己直连的网络号（子网）是多少
内网中的IP地址是可以重复的，可以变向的提高IP地址使用上限。但是私有IP不能出现在公网上，因此上述通信模式并不能完全正确完成通信。

NAT技术

如何完全正确的完成通信？
主机将报文交给家用路由器时，将报文中源IP替换成自己的WAN口IP，这样避免了私有IP出现在公网中。同样的，家用路由器将报文交给运营商服务器时，在运营商服务器中将报文源IP修改成运营商服务器的WAN的IP。最后通过广域网环境交给服务器。

像这种源IP不断转换的工作我们称之为NAT技术，NAT技术只在内网做转换，解决了从内网到公网的问题。

路由

路由是在一个复杂的网络结构中，找到一条通往终点的路径。

• 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。当前路由器决定该报文先去下一个路由器的时候，该路由器称之为缺省路由。
• 依次反复, 一直到达目标 IP 地址。

因此路由过程中有两种情况：一是到达目的主机，二是缺省路由。还有一种特殊情况是该路由器连接的是终点的子网，后续需要进行子网内的转发即可。

在Linux中可以通过route指令查看自己的路由表：

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。

假设某路由表配置如下：

• 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合
  • 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