网络层：IP协议(网络层IP协议的配套协议有哪些)

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本博文分享的是网络层的IP协议，从IP协议的基本概念、协议格式开始分析并分享出来。

不同于讨论TCP/UDP时只讨论通信主机之间的关系，在讨论IP协议中，会加上主机之间的网络来一起进行讨论分析。

主机:一般配有IP地址，路由器一般即配有IP地址, 又能进行路由控制，而节点是主机和路由器的统称。

对于IP，它是由主机号和网络号组合而成，即IP=主机号+网络号。在网络协议栈中，TCP负责决策，而IP负责执行，即IP有一种能力，能够较大概率地将数据从主机A跨网络地发送到主机B，通过这个能力，我们就知道了IP协议不提供可靠性。

不管是学习UDP协议还是TCP协议还是IP协议，我们首先需要解决的问题就是如何队数据进行封装和分离，如何进行分用（向上交付）。

首先，我们来认识IP协议格式：

①4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4。

②4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。

封装和分离，就是将IP协议的数据包进行分离，拿前20个字节的数据出来，即将头部与数据进行分离，封装则反过来。

③8位协议：表示上层协议的类型。

通过上层协议的类型，知道上层是使用了UDP还是TCP，从而进行分用。

④8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。

⑤16位总长度(total length): IP数据报整体占多少个字节。

⑥8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。

在IP协议中，有一个13位片偏移，其意思是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。

13位片偏移：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）。

在ip中，分片其实不是大部分情况下的操作，而需要分片的原因在于数据链路层一次性发送的数据大小是有限制的，一般是1500字节，称为MTU。而如果IP报文超过1500字节，那么就需要进行分片了。

如果我们有一个2000字节的数据包，需要进行分片，才能让数据链路层将其发送出去。

这个2000字节的数据包，20字节是报头，1800字节是数据。在分片后，每一个分片的数据需要重新加上相同的报头，也就是说，分片出来的数据，最大为1480字节，然后加上20字节的报头！

因此，1800的数据，我们将其分为1480和320，然后为分出来的报文添加上报头，分别加上在1480和320的数据上，形成数据包。此时，这一份2000字节的数据包，就被分层了两份，一份是1500字节，一份是340字节。

分片是网络层分的，分片后再转交了数据链路层。就好比如我们寄快递，即一台完整的台式电脑，我们需要将其拆开来寄，在寄的时候，快递公司可不会负责拆分，因为如果拆分后出现问题后，那就是快递公司负责的了，因此都是客户自己拆，然后交给快递公司，快递公司只负责送。

对于分片操作来说，传输层其实不会知道这个操作，也不需要知道。但是！需不需要分片，是传输层说了算！

我们都知道，发送数据，有概率是会丢包的，如果将一个数据包分片成若干个数据包，那么就会增加丢包的风险。

因此一般而言，为了不必要的风险，需要减少分片的操作，就需要TCP/UDP去控制单个报文的大小！

3位标志：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。第三位为标识更多报文（1：表示后面还有分片出来的报文，0：表示后面已经没有分片出来的报文了）。

分片之后，发送给了接收端，接收端就需要对其进行组装。

首先，16位标识会将需要组装的报文聚在一起，13位片偏移会将这些报文组装在一起。因为对于没有分片的不同报文，其16位标识是不同的。而对于分片出来的报文，它们的16位标识是一样的。

与此同时，13位片偏移，表示的就是某个报文的有效载荷的偏移量，是在原始报文的有效载荷的偏移量。即某个分片出来的报文的片偏移==前一个报文的片偏移量+前一个报文自身的字节大小。

通过16位标识和13为偏移和3位标志，就能确定哪些报文是需要组装的（即哪些报文是独立的，哪些是分片的），其组装顺序是如何的。最后，通过升序完成组装。

其中接收端如何区分哪些报文的独立的，哪些是分片的，有以下伪代码可以帮助理解：

网段划分是指将一个大的网络划分成若干个小的网络。在网络中，每一个设备节点都有一个唯一的IP地址，而IP地址是由网络号和主机号组成的。大网络划分成小网络后，每一个小网络都有自己的网络地址和主机地址范围，相应的IP就会在相应的小网络中，便于网络的管理。

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。

在同一网段内，网络号必须是相同的，当然，不同网段，其网络号也可以是相同的，因为可以使用子网掩码来区分不同的子网，这是后面要说的。现在我们通过上图可以看得很清楚，不同网段，网络号不一样，主机号更是如此。网段之间，通过路由器之间进行网络通信。并且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。

网段划分之后，如果需要在一个巨大的网络中（比如全球网络）找到一台来自中国广东广州某某社区某某家的一台主机。那么就可以根据IP地址对应的划分出来的网段，找到中国，再继续找，找到广东的网段，找到广州的网段，最后找到目的主机。

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，现在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。

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

由IP的前面一两位就可以辨别是哪一类IP了。每一类，由于其网络号和主机号的位数不一样，表示其能够产生的IP号的数量是有大有小的。

随着Internet的飞速发展，这种划分IP的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。

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。

当然，不仅可以在IP地址的网络号中将其划分，分出一个子网掩码，更是可以继续划分，划分成别的掩码等等，简单来说，IP地址中的网络号，主机号的大小不是一成不变的。

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。

私有IP和公有IP是指在互联网中使用的IP地址类型。

私有IP地址是指在局域网中使用的IP地址，用于内部通信和管理。私有IP地址范围是：

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)。

私有IP地址不可在公网中直接访问，需要通过网络地址转换（NAT）等技术进行转换才能访问公网。

公有IP地址是指在互联网中使用的IP地址，用于在公网中进行通信和访问。每一台设备的公有IP地址是唯一的，公有IP地址可以直接访问互联网，不需要进行转换。

1.私有IP地址只能在局域网中使用，不能直接访问公网，而公有IP地址可以直接访问。

2.私有IP地址可以重复使用，而公网IP不能重复使用，每个公网IP地址只能分配给一个设备使用。

3.私有IP地址可以通过NAT技术进行转换，从而访问公网，而公有IP地址不需要。

观察上图：

①每一个网段或局域网，都有一个路由器，而在局域网中，每台主机的网络号是相同的。在家用/运营商路由器中，有两个IP地址，分别是子网IP（也叫LAN口IP）和WAN口IP。

②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，但是子网之间的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。

假设子网内的一个主机需要和服务端进行通信，那么这个主机发送的数据带着源IP和目的IP出发了！从主机开始走到家用路由器，由跋山涉水地走到运营商路由器，最后走到服务端。OK，此时服务端需要返回响应给主机，但是却发现由许多主机的IP都是192.168.1.201。这下子，怎么办？

其实数据从主机发送到路由器的时候，路由器会对其源IP进行转换，即用自己的WAN口IP将数据中的主机源IP替换，同样的，从一个路由器到达另外一个路由器，也会进行源IP的替换。这就叫做NAT技术。

路由，即在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线。路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) "问路" 的过程。

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。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。

使用 route命令查看路由表：

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。