【Linux网络编程】网络层IP协议

目录

IP协议的协议头格式

网段划分

特殊的IP地址

IP地址的数量限制

私有IP地址和公网IP地址

路由

IP协议的协议头格式

4位版本号 ：指定IP协议的版本，对于IPv4，版本号就是4。

4位首部长度：表名IP协议报头的长度，单位是4字节，所以IP协议报头的最大长度是15*4=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：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，那么每个片里面的id应该都相同。

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 乘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，TCP/UDP/...

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。

网段划分

IP地址分为两部分：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。

第一种划分方式，把所有的IP地址分为5类，如下图：

  • 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；

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；

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 

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

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：

  1. 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； 
  2. NAT 技术（数据链路层介绍）；
  3. 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。

  1. 10.*：前 8 位是网络号，共16,777,216 个地址
  2. 172.16.*到 172.31.*：前 12 位是网络号，共 1,048,576 个地址
  3. 192.168.*：前 16 位是网络号，共 65,536 个地址

包含在这个范围中的，都称为私有 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)。
  • 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 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)。

路由

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。

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。

  1. 当 IP 数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的 IP;
  2. 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；
  3. 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。 

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; 

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