【网络编程·网络层】IP协议-Toy模板网

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【网络编程·网络层】IP协议,网络编程,网络,tcp/ip,网络协议

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一、IP协议的概念

二、IP协议的报头

1、四位首部长度

2、16位总长度（解包）

3、8位协议（分用）

4、16位首部校验和

5、8位生存时间

6、32位源IP和32位目的IP

7、4位版本/8位服务类型

8、16位标识

9、3位标志

10、13位片偏移

三、IP协议的网段划分

1、为什么要进行子网划分

2、网段划分规则

2.1老的网络号和主机号的划分方案（和新方案兼容）

2.2新的网络号和主机号的划分方案CIDR

四、特殊的IP地址

五、解决IP地址的数量限制

六、私有IP和公网IP

6.1NAT

6.2NAPT

6.3NAT的缺陷

七、路由及路由表

1、路由

2、路由表

3、路由表生成算法

一、IP协议的概念

IP：目标网络中的一台目标主机的地址

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;

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IP地址的作用：定位主机并将数据报从A主机跨网络可靠的送到B主机（数据有很大的概率发送成功，如果发送未成功，TCP的多种策略再次让IP去执行数据传输，TCP和IP的组合保证网络通信的可靠）

二、IP协议的报头

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1、四位首部长度

和TCP协议一样，IP协议的四位首部长度代表报文总长度=4位首部长度*4字节（4比特位的取值范围为0-15，报头长度至少20字节，所以报文总长度的范围为20-60字节）

看上图报文，右侧有个20字节的提示，这是标准IP，对于标准IP，四位首部长度的二进制数据是0101（5*4等于20）

2、16位总长度（解包）

IP协议的16位总长度包含报头和有效载荷，所以可以通过16位总长度-报头，即可得到有效载荷的长度（对于应用层来说，它的有效载荷是传输层给的报文）

3、8位协议（分用）

8位协议中写了传输层的协议编号，这样向上交付时IP协议就知道自己要将有效载荷交给上层的哪一个协议了。

4、16位首部校验和

校验不通过，直接将报文丢弃，TCP有超时重传机制会补发给IP。

5、8位生存时间

报文在网络传递的过程中，一旦报文从主机发出，便不再受主机控制了。报文会在一个个路由器之间进行传递，可能会出现环路转发等问题，如果不给路由器丢弃报文的权利，那么这条报文将会在环路中被循环转发，白白占用网络资源。

IP协议的8位生存时间规定了这条数据报到达目的地的最大跳数，一般是64。（每次经过一个路由, TTL减减，减到0直接将报文丢弃）

6、32位源IP和32位目的IP

应用层提供的端口号是给传输层的，提供的IP是给IP协议的。略。

7、4位版本/8位服务类型

4位版本填的是4，代表ipv4（ipv6和ipv4是不兼容的）

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、16位标识

16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文大于数据链路层的最大传输单元，导致IP层进行分片, 那么每一个片里面的这个id都是相同的。

9、3位标志

3位标志字段: 第一位保留(保留的意思是暂未使用，备用)。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，分片的该位为1说明该分片还不是整体报文的最后一片。

对于禁止分片标志位，如果置1表示禁止分片。该报文经过路上路由器时，若该路由器的最大MTU小于该报文的有效载荷，由于禁止分片标志位置1，路上路由器无法对其进行分片，该报文将会被丢弃。传输层将会超时重传该报文，并选择一条可以满足数据传输的路由通路。（找到较大吞吐量的路）。那么所有的路由器的最大MTU全部设置为1500字节不就好了？其实最大MTU较小的路由器更适合小容量的有效载荷通过，速度较快。

10、13位片偏移

13位分片偏移(framegament offffset): 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)。

数据链路层的MAC帧协议规定自己的有效载荷不能超过1500字节（MTU（最大传送单元，可以修改）），这1500个字节限制包括了IP报头+IP报文中的有效载荷。

数据包的大小只有传输层能控制，但有时仍会超过1500字节，只能由IP协议进行分片与组装来解决，发送端IP层进行分片，每一个分片都会有IP报头，对端IP层进行组装（字节超限导致IP层进行分片和组装并不好，因为分片会增加丢包概率）。TCP和MAC帧并不关心IP对数据包进行了分片和组装，这仅仅是IP层自己的行为。

分片：如果更多分片是1，就说明该报文被分片了。如果更多分片是0并且片偏移等于0说明没分片，反之分片。

组装：按照片偏移堆分片IP报文进行升序排序即可。

如何保证组装正确：IP协议有16位首部检验和，TCP协议也有检验和。

报文丢失补发：如果因为分片导致某一片报文丢失，就会造成拼接组装失败。那么就需要进行对端进行补发，补发机制只有TCP层有，IP是不具备补发功能的，但是对于TCP来说，TCP又不关心IP是如何进行分片的，到底是哪一片丢了并不关心，TCP只会重新为IP层补发一个完整的报文。

三、IP协议的网段划分

IP地址共32位，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; （就好像学校里不同的学院有不同的编号）

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;

1、为什么要进行子网划分

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互联网中的每一台主机，都必须隶属于某一个子网，这是为了方便定位这台主机。主机A向主机B发送数据，数据报在经过路由器时，会选择正确的网络号，瞬间排除了大量的IP地址，大大提升了查找效率。

2、网段划分规则

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1、不同的网段之间的数据转发依靠路由器，所以路由器这种设备隶属于多个网段。路由器也是一台主机，它在多个网段都有一个当前网段的IP地址。通常情况下，路由器的子网IP地址是网段标识.1（LAN口）

2、在一个子网中，管理子网中的IP设备通常是路由器。

3、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。

2.1老的网络号和主机号的划分方案（和新方案兼容）

把所有IP地址分为五类：

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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

这种划分方式是不合理的，例如A类IP地址，网络号就只有7位，但是主机号有24位，一个子网下面有这么多主机的场景少之又少，造成了A类地址被大量浪费；而B类地址是比较合理的，这就造成了大多数的组织申请的是B类地址，使得B类地址早早地被分配完毕。

针对这种不合理的划分方案，人们又提出了一种新的划分方案CIDR(Classless Interdomain Routing)

2.2新的网络号和主机号的划分方案CIDR

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;

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注：网络号是由子网掩码二进制最低位的1的位置决定的。子网掩码的二进制最低位的1后面的位数都属于主机号。

例子1：

IP地址和子网掩码的二进制进行按位与操作，得到网络号。主机号是0-255（0000 0000-1111 1111），不过0和255这两个主机号不会被使用，因为0代表网络号，255代表广播地址。

例子2：

四、特殊的IP地址

1、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;

2、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;

3、127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1

五、解决IP地址的数量限制

IP地址仅有32位，由于存在一些特殊用途的IP地址，所以可用的IP地址远不足42亿9千多万，但是TCP/IP协议规定，每一个主机都需要有一个IP地址（实际上每个网卡都需要配置一个或多个IP），所以IP地址是远远不够用的。虽然CIDR一定程度上缓解了老标准对IP利用率不高的问题，但是IP的总数并没有增加。

采用以下方式解决IP地址不够的问题：

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

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;

六、私有IP和公网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。

1、10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址（企业级路由器使用）

2、172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址（企业级路由器使用）

3、192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址（家用路由器使用）

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)

路由器的作用：

1、数据包转发

2、DHCP功能、组建子网（如配置无线网络。注：局域网是内网IP）

3、NAT功能

6.1NAT

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1、第二点说了路由器可以构建子网，对于家用路由器，构建的子网包含了多台主机，对于运营商路由器，构建的子网包含了多台家用路由器。当我们把数据从主机发送出去了，这个数据并不一定处于公网当中，也可能处于运营商的子网当中，数据包可能仍处于内网环境中。

2、路由器至少会配有两个IP，其中一个是子网IP，也叫LAN口IP，它对应的是该路由器所构建的子网；另一个IP就是WAN口IP，这个WAN口IP是对外的，连接的是上一级路由器。最外层的运营商路由器的WAN口连接的就是公网IP了

3、不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)。同一个子网内的主机IP地址不能重复，但是不同子网之间的IP地址可以重复。

4、当内网IP192.168.1.201向公网IP122.77.241.3发送数据的时候，子网发现目的IP不属于当前网段，会将数据包交给路由器，让路由器一层一层的进行查找交付，最终递达目的IP。根据第三点，目的IP的服务器拿到了内网IP是没办法摸着网线回来的，因为这个内网IP可能存在于多个内网当中，所以就需要主机将数据包交给路由器的时候，将IP逐级替换为路由器的WAN口IP。这种WAN口替换的技术就被称为NAT（网络地址转换）。

局域网内, 有多个主机都访问同一个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的网络号都是相同的，那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?甚至可能是局域网内一台主机中的不同的客户端进程通过不同的客户端端口号向远端发起的数据传输。NAT路由器为了将正确的报文送到正确的进程上，就需要使用NAPT来解决这个问题了，使用IP+port的形式来建立关联关系。

6.2NAPT

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NAT路由器中会维护一张K/V式的转换表。例如源地址10.0.0.11:1025，目的地址163.221.120.9:80，经过NAT路由器WAN口转换后目的地址不变，源地址被替换为202.244.174.37:1025。

图中还有另一组源地址和目的地址，在经过NAT路由器的时候，WAN口IP都会被替换为202.244.174.37，为了进行区分，会采用不同的端口号来建立映射关系。

所以，转换前的源地址+目的地址和转换后的源地址和目的地址构成了一张互为键值的映射表，该表被称为NAT转换表。这个转换表可以双向查询。

6.3NAT的缺陷

无法从NAT外部向内部服务器建立连接;

转换表的生成和销毁都需要额外开销;

通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备, 所有的TCP连接也都会断开。

七、路由及路由表

1、路由

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。

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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。依次反复, 一直到达目标IP地址;（一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。）

3、通过路由表来判定这个数据包应该发送到哪里

2、路由表

时候用route命令查看Linux机器的路由表：

[jly@VM-4-11-centos linux-code]$ route
Kernel IP routing table
目标网络			下一跳（网关）	子网掩码		   使用状态					哪个接口
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
default         gateway         0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0 //默认网关
10.0.4.0        0.0.0.0         255.255.252.0   U     0      0        0 eth0
link-local      0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth0

[jly@VM-4-11-centos linux-code]$ ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.0.4.11  netmask 255.255.252.0  broadcast 10.0.7.255
        inet6 fe80::5054:ff:fe9c:67a2  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:9c:67:a2  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 171933080  bytes 33378182758 (31.0 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 165679727  bytes 28636998057 (26.6 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
        RX packets 12503288  bytes 1870189412 (1.7 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 12503288  bytes 1870189412 (1.7 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

此时有一个目的IP10.0.4.0

1、遍历路由表

2、目的IP & 路由表配置的子网掩码，确定该数据包要去的目标网络

3、将&出来的结果和目标网络（Destination）进行比较

4、在路由器中找到这个目标网络，这个目标网络就是下一跳的目的地。

此时有另一个目的IP202.10.1.2

1、重复上述步骤发现路由表中并没有目标网络

2、那么路由器下一跳的目的地就是该路由器配置的默认网关

3、通过Iface接口发送报文

注：数据报位于不同的路由器中的网络号是不一样的。子网掩码越来越长，说明数据报去往的目标网络越来越具体。