Linux学习记录——삼십팔 网络层IP协议

应用层之下有传输层，应用层使用系统调用把数据拷贝到传输层就返回，继续执行自己那一层的代码；传输层使用TCP协议来管理和对端主机传输层之间的交互；应用层将数据传给传输层的TCP，TCP这个传输控制协议根据滑动窗口，选好能发送的数据，传给网络层，网络层有IP协议来管理

1、了解IP协议

TCP的数据、报文，一般情况下只有发送方和接收方能看到且认识，中间的主机最多看到网络层的报文，还有NET帧。TCP收到数据后，向下交付给IP层，IP报文里面包着TCP报文，在网络里传输的是IP报文，IP报文的有效载荷是TCP的报头 + TCP的有效载荷，这也就是封装。

IP协议能很大概率将IP报文从A主机跨网络送到B主机，所以肯定有可能各种原因发送失败，而TCP就是提高成功概率的存在，达到尽量百分百成功。IP执行操作，TCP提供传输策略。TCP发送给IP报文，IP得给应答，如果没有应答，就说明IP报文丢了。所以TCP、IP协议的作用就是将数据从A主机可靠地跨网络送到B主机，这也就是OS做的事。所以这两个会连着叫。

旅游的时候，我们会说要去北京玩，等到了北京，再说去北京玩就奇怪了，这时候就会说要去某个景点。IP地址就是如此，IP地址 = 目标网络 + 目标主机，是4个字节，32个比特位，前16个比特位属于目标网络，后16个比特位是目标主机。

主机是配有IP地址的机器，路由器是配有多个IP地址且能进行路由控制的机器，主机和路由器都属于节点。

2、IP协议报文

IP协议的报头和有效载荷分离是与TCP协议相同的，4位首部长度表示0字节 + 选项长度。8位协议表示有效载荷是什么报文，也就是它的上层是什么。4位版本一般都是IPv4地址，4字节32个比特位，IPv6用6个字节128个比特位来表示地址，6和4不兼容，6和4地址都存在。

TCP协议决定了端口号，IP协议决定了IP地址。

1、8位服务类型

它指的是IP传送的特点。由3位优先权字段（已弃用），4位TOS字段，1位保留字段（必须设置为0）组成，所以就只看4位TOS字段即可。4位TOS分别表示最小延时（最短路径），最大吞吐量（带宽最高，路由器好的），最高可靠性（丢包概率最低的路径），最小成本，四个相互冲突，只能选一个。

2、16位总长度（字节数）

IP协议是面向数据报的，向上交付时要一个个包交，收到包时得能把报头和有效载荷分离。16位总长度 - 4位首部长度就是有效载荷长度。

3、8位生存时间（TTL）

在两个主机之间有很多路由器，如果报文传输时，有路由器出现问题没有传给主机，而是传给了另一个路由器，另一个也不好，它又给了另一个路由器，最后经过多个路由器又回到了最一开始坏掉的那个路由器，那么这就成了环路，并且一直环路，后面再发更多的报文，还会继续环路。网络之中有很多问题可能发生，阻碍了传输，响应时间很长。为了解决这个问题，就有了生存时间。生存时间表示该报文在转发过程中最多经历的路由器的次数，每经历一个，就减1，减到0，生命周期结束，就被丢弃，不管到没到达对端主机

3、网段划分

1、网段划分和CIDR方案

就像一个大学，有多个学院，多个专业属于一个学院。学院的编号分成10，11，12，13等开头，这样就区分了多个学院，每个学院的学生都用学院编号 + 一串号码来作为自己的学号，这样每个人学号都不同。当然每个学院内每个专业的学生也可以有限制，比如2000 - 5000之间是计算机专业的学生的号。要找到某个学生，就先找到学院，确定了范围，然后再找到学生。这样查找的过程就是排除的过程，最终锁定到某个范围，提高了效率。

一个学院是一个子网，一个学院学生会主席是路由器，有学生会主席群，能够方便地找到某个主席，这个群就是转发集群，也叫公网。网络传送数据是先找到目标群（子网），再找到目标主机，主机就是学院中的某个学生。学院有很多学生，每个学生都有学号，这就是主机的IP地址。像上面的过程，为了更快速地找到子网，需要把子网划分，也就是学校有多个学院，通过公网，经过路由器去访问子网。之前的IP地址 = 目标网络（网络号） + 目标主机（主机号），即子网 + 主机，这就是子网划分的结果。

学校里，有每个学院学生会主席聚集在一起的群，有每个学院自己的群，学校分为多个学院，学院有学生会主席，这些是由运营商的顶层决定的，也就是现实中中国的移动、联通、电信，韩国的LG U+、KT、SKT。运营商或者网络设备能够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地址不相同。路由器一般会带有DHCP功能，这个功能可以自动地给子网内新增主机节点分配IP地址。

路由器可以连接两个子网，比如一个学院有好多个专业，每个专业都有专业群，专业和学院这两个子网也有路由器相连。这样路由器就得配2个网卡，每个网卡对应一个子网，对应一个IP地址。路由器在相连的多个子网中都是主机，因为网卡的存在，且它通常都是这个子网中编号为1的，因为是子网中的第一台主机。路由器可以构建子网。用手机开热点时，分享给其它人，开热点的手机就相当于路由器。现在的路由器也都支持上层功能，比如应用层的http表单，路由器背面有地址，浏览器登录这个地址，就能进入让用户输入账户密码的网页，这个网页就是之前所说的表单，遵守http协议。

网段的划分通常分为5类

分为A类网和其它，因为第一位不同。7位网络号指会有2的7次方个网络地址，24位主机号指每个网络有2的24次方个主机。ABC常用。现在大部分都申请B类地址，A类网络地址较少，只有2的7次方个，所以很多都不申请A。为了解决这样的问题，引入了CIDR划分方案。引入子网掩码来区分网络号和主机号，子网掩码是一个32位的正整数，前面都是1（会表现255.255.255.0，也就是前24位都是1），直到某个位置开始就全是0，将IP地址和子网掩码进行按位与操作，就得到网络号，网络号和主机号的划分与这个IP地址是哪一类无关。比如192.168.1.1，网络号就是192.168.1.0，主机号就是1。子网掩码1多一些，主机号就少，少一些主机号就大，比如刚才的这个与子网掩码按位与后得到192.168.1.102，主机号就是102，网络号还是192.168.1.0。

2、子网划分简单方法

运营商划分子网。运营商促进了网络基建的建设。公网中，IP地址只有2的32次方个，所以入网设备就有限。子网的划分不仅仅按国家划分的，还按别的划分，比如地区，人口。

假设每个国家都有自己的IP地址格式，比如固定前8位，中国的前8位是0000 0010，各个国家的运营商都接入自己国家的子网。假设每个国家都有国际路由器，各个国家通过国际路由器连接到一个网，这个就是公网。我们国家有34个省，要包含这个34个省，需要6个比特位，因为5个只能表示32个，那么就可以规定某个省为0000 0010 0000 01…，那么这个省的子网掩码就是这样，每个省都有省的路由器，用于跨省连接，这些路由器也可以构建一个网，这也是公网，这种公网是由国内运营商构建的，全球的公网是由国际运营商构建的。省往下就是市，比如10个市，就可以用4个比特位表示出来，这样前面有14，现在4个，总共18个就是中国某个省某个市的子网掩码，每个市都有市路由器，多个市之间就可以形成一个公网，依次类推。但如果一直按照这样下去，比特位就不够了，所以到了一定级别城市的之后，运营商就构建局域网，开始使用私有IP地址，也就是IPV6地址，可能从地级市就开始使用IPv6地址。一个居民家里的IP地址属于一个县级市，县级市又隶属于地级市。到了开始使用IPv6地址时，IPv4上使用的比特位就减少，转而按规定使用IPv6地址。

运营商对外需要有IP地址。假设已经有了IPv4地址：0000 0010 0000 0100 01…，也就是上面的8 + 6 + 4，不过这里给连起来写了，然后假设后面都是0，那么就是02 04 40 00，换成16进制写出来就是2.4.4.0，这也就是这个省的入口网络，省内的某个IP地址就可以是2.4.4.23。当外国想要访问这个IP地址时，会发现这个不是本国的IP地址，它就交给这个国家的出口路由器，也就是上面所说的省路由器，市路由器，国家路由器，通过出口路由器来到公网，自己国家的出口路由器能找到这个是哪国的IP地址。将2.4.4.23和上面所举例的中国的子网掩码0000 0010（后面都是0）按位与，得到2.0.0.0，发现第一个数字相同，那就是中国境内的IP地址。将2.4.4.23和几个省的子网掩码按位与，直到发现和这个子网掩码0000 0010 0000 01（后面都是0）按位与后，得到2.4.0.0，就继续和这个省的市的子网掩码去按位与，会得到2.4.4.0，再根据23找到最终的目的主机。

具体的划分并不一样，上面的只是大概的思路。实际上，可能会按照ABCD类查找，大地区用A类，小地区用B类。所以明白其大概的做法就好。

根据上述所写，即使在不断找寻目标地址的时候，出现传输丢包，也可以超时重传，都有办法解决。

路由器连接多个子网，所以必然要在它的路由表中保存好各个子网的网络号和子网掩码。因为要拿收到的报文的目的IP和该子网的子网掩码进行按位与，再和自己直连的网络做对比，是就连入这个子网。有多少子网就有多少子网掩码。

子网的划分方案：有IP地址140.252.20.68，有子网掩码255.255.255.0，有网络号140.252.20.0，子网地址范围，也就是IP地址的取值范围是140.252.20.0 ~ 140.252.20.255，也就是说这个子网最多有254个主机。

比如IP地址140.252.20.68，子网掩码是255.255.255.240，按位与得到的网络号是140.252.20.64，子网地址范围就是140.252.20.64 ~ 140.252.20.79，64的比特位就是0100 0000，因为前面4个已经被占用了，所以只能动后4个，后4个从全0到全1，就是0~15，范围就出来，而真正可以用的就是65 ~ 78，因为不能用全0和全1。

127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1。127的报文数据不会发送到网络里，走一遍协议栈，做网络测试。Linux中用ifconfig命令可以看到一个lo:，下面就有inet: 127.0.0.1。

3、IP地址问题的解决方案

如果都接入公网，IP地址的分配很成问题。IPv4地址时一个4字节32比特位的正整数，总共有2的32次方个地址，将近43亿个，放到现在全球主机肯定不止43亿个，CIDR策略一定程度缓解了不够用的问题，提高了利用率，减少了浪费，但绝对上限仍然不变，还是会到达上限，所以就有了三个办法：动态分配IP地址，NAT技术，IPv6地址。

动态分配采用的是DHCP技术。每次连接上网络，开始用一个主机，设备，路由器就分配一个IP地址。一个IP地址并不会绑定一个设备，用的时候再给地址，不用就让这个地址闲置下来，等待下一个接入网络的设备。

有NAT技术才能有DHCP技术。NAT技术几乎解决了现有的问题，虽然没从根本上解决问题。NAT技术也一定程度上阻拦了IPv6的发展。

IPv4和6不兼容，6也不是4的简单升级版，两者互不相干，IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，但IPv6还没有普及。IPv6活跃在内网，很多现在用的软件用的也是IPv6地址。

4、公网内网

1、内网分配

一个组织，比如学校，单位，要建立局域网，需要遵守RFC 1918规定使用私有IP地址：

10.* ，前8位是网络号，共16777216个地址
172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1048576个地址
192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址
包含在这个范围内的都成为私有IP，其余则是全局IP，或公网IP。

运营商会在一个地区内用私有IP地址建立子网，建立的方式就像上面从国际到省市的使用公网IP分层分配的方式。私有IP也是从公网IP中截取的一部分，不过这些对于所有的公网IP数来说并不多。

#Linux
ifconfig #出现的第一行的inet就是IP地址，netmask是子网掩码
#Windows
ipconfig

2、运营商管理方法

家里拉网时，用光纤连接猫（Modem，调制解调器），猫的另一端连接路由器，设备连接路由器就可以上网。数字转为模拟，模拟转为信号，猫将信号转为路由器可以用的信号，设备就可以使用网络了。每个设备发送网络请求，比如刷视频，看小说，刷新网页等，都经过家里的路由器，再经过运营商的路由器，由运营商路由器决定如何发送。家里的路由器有两个账号，一个是付费账号，用这个账号交费，交上费后再发送请求，运营商服务器检测到这个不是欠费用户，才能让发送，如果欠费，就丢弃报文，并告知欠费，所以运营商是知道这个账号的，这个账号是手机号，也就是家里必须要有一个手机号用来交费，通常交话费来交网费，这体现在套餐中。家里路由器还有一个账号密码，也就是我们到一个没去过的地方连接网络时，需要输入密码才行，这个密码就是这个账号的密码，账号由自己家决定，网络名称也可以改，所以一打开网络连接会看到各种WiFi名称。

如果要登录外网，运营商路由器就检测到请求不合理，非法，就会丢弃报文，所以访问不到，这时候需要用VPN翻墙，墙就是运营商路由器。既然我们每次使用网络，都得经过运营商，所以让它不知道就好了，在最一开始发送时就不通过它发送。

我们自己访问一个软件时，会把报文交给运营商服务器，然后发到国内的公网，再找到这个软件厂商对应的服务器地址。家里构建的网络都是私有IP，私有IP可以重复，不过各家通过的运营商路由器可以不同，所以这个方法提高了绝对上限。

当一台主机要访问一个目的IP时，这个目的IP不是现在的子网内，将源IP和目的IP交给家用路由器，这个操作叫缺省路由，然后家用路由器将信息交给自己所属的运营商路由器，这就通过了两个子网，一个是家里的，一个是运营商和各个家用路由器之间的，所以家用路由器才被当做第一个入网设备，因为在运营商路由器看来，它只知道这些家用路由器，家用路由器入网了，家里其它设备才能入网。家用路由器和家里设备构建的子网的IP的LAN口IP，和运营商之间的子网IP是WAN口IP，一个对内一个对外。每个路由器都会检查送过来的信息是否属于它管理的子网，不是就往上交。如果要访问的是公网，那就一直上交到公网，然后去找到对应的服务器去访问。但返回响应的时候有些麻烦，因为源IP是自己设备的IP，这个IP全国有很多重复的，应该发到哪个子网？出现这个问题的根本是私有IP出现在了公网上。为了防止这种现象，私有IP就不能出现在公网。

家用路由器交给运营商路由器时，将源IP换成当前WAN口IP，运营商路由器再继续上交，上交过程中也有转为WAN口IP的操作，这样做的原因就是即使到了公网，也能用过源IP找到对应路由器，将源IP转为LAN口IP，也就能找到自己所管理的子网中的某一个路由器，逐层查找。在内网中，将源IP不断转换的过程就是NAT技术。到了内网后，运营商还有别的办法去找到最一开始发送信息的设备，这个之后再写。把LAN设置成IPv6，WAN设置成IPv4，就可以做到转换解决问题了。

5、路由

路由在之前的博客中写到过，路由算法暂且不管。路由在收到目的IP后，就按照算法找出最近路线中下一站去哪，就把报文送到指定的下一个路由器，下一个路由器再根据算法找到最近路线中下一站应该是哪个路由器，再把报文送过去。路由器每次计算下一步去哪里时都会拿目的IP去查看路由表。不是每个路由器都知道要怎么发送，但它知道哪个子网的路由器知道，它就把报文推给这个路由器，这样不知道路线的路由器就是默认路由器。当到达目标子网的路由器时，路由器看到目的IP就是它自己的子网，就进入这个子网，然后开始根据端口号找到对应的主机。

路由表可以有route命令查看。

数字那一行就是路由器直连的子网。Genmask是路由器根据特定条目配的子网掩码，Gateway表明下一跳是什么类型。Flags中，U表示正在使用，G表示路由器，default那一行表示和当前主机直接相连的缺省路由器，当主机发送报文时不知如何发送，就交给缺省路由器发送。Iface是OS在网络中形成的网络接口，也就是当报文通过IP地址，子网掩码等找到这台主机时，就通过这个接口来发送到主机上。

比较全的形式应当是这样

最一开始发送报文的设备，最多知道这个目的IP是不是自己这个子网的，不是就交给路由器，从内网到公网，一路都一样，都只知道不是自己子网的，到了公网，也会考虑路由表等，内网的路由器相对简单些。

上图的路由器直连了两个子网，图中两个192开头的，也就是有两个网络接口连到这两个网络。当收到一个目的IP后，就拿这个IP和路由表中的子网掩码们挨个算一遍，如果路由表中有一样的，那就发到那个子网的路由器中，如果都没有，就通过缺省路由器，也就是默认路由器来发送。一个路由器连接自己的子网的IP地址就可以。

6、13位片偏移、16位标识、3位标志

1、理解3个位置

链路层中的MAC帧规定单次发送的有效载荷不超过MTU，即1500字节，所以就让TCP的滑动窗口分批次发送，不能一下全部发送，所以IP一次发送就有了限制。如果TCP一下子发送了很大的报文，链路层又不许超过MTU，那么只能IP自己来搞定，所以IP协议引入了分片机制，报头也就有了一个片偏移。分片后由对方的IP层再组装。假设TCP发送了4500字节的报文，那么IP就分为三个，每个都是1500字节，第一个分片的偏移量，也就是在原报文中的偏移量为0，第二个分片偏移量为1500，第三个偏移量为3000。

标识用来区分IP报文，使其不出现重复的IP报文。3位标志是3个比特位，第一位是保留位，意思是现在不用，以后可能会用；第二位是1表示禁止分片，这时候如果IP报文长度超过MTU，IP协议就直接丢弃这个报文；第三位是一个分片标记，如果没有做分片或者现在这个IP报文是最后一个分片，就置为0，如果不是最后一个分片就置为1。

对端主机得到分片的报文后，根据片偏移排序相同标识的报文，就组装了起来。

2、详解分片机制

接收方会收到很多发送方的报文，很多分片都放在了一起，通过看源IP就能分类发送方。收到报文后，片偏移不为0或者3位标志第三位是1，那就是分片了，那就提取标识，去找同表示的报文；如果片偏移为0，就看3位标志的第三位，为1就说明有分片，为0就说明没有分片。一个报文，第3位标志是1，偏移量是0就是开始报文；第3位标志是0，偏移量大于0，就是结束报文；第3位标志是1，偏移量大于0，就是中间的那些报文。如果第3位标志是0，偏移量是0，那就是独立报文，没有分片。

接收方能够很方便地检验是否收到开始报文，结束报文，等收集一遍报文后，通过偏移量进行升序排序，且遍历一下，就知道有没有报文丢失，有哪些报文丢失，因为每一个报文的片偏移 + 1自身报文长度就是下一个报文的起始偏移量。所以接收方能够得到所有的报文。当接收方组装起所有报文后，报头的16位首部校验和会保证这个报头是正确的，再往上交时，TCP有16位校验和，是检验整体报文是否正确的。如果一旦出错，就得回到IP层再去找报文。

TCP对于报文有序号，假如在发送1000，2000，3000报文过程中，1和2报文丢失了，接收方如何确定前面还有没发送过来的报文？ TCP在通信之前有3次握手，这个过程中有报文交换，里面就有起始序号。很多发送方发过来报文，必然有序号相同的报文，但源IP不一样，所以都能区分出来。在一个报文没有收全时，是不会向上交付的，如果一个报文发送过程中出了问题，发送方重发，这会出现序号和源IP完全相同的情况，不过这不太要紧，接收方会对两个报文进行比对，看看是不是同一个，选择正确，完整的那个，再上交。

虽然有分片机制，但网络中尽量规避分片。TCP应当控制好报文的量，而不让IP承担责任。TCP给IP报文，IP分片，IP发送的过程中丢了几片，那么对于TCP，如果补发部分，就要知道补发几个，那么TCP的报头就得多加点东西，但补发全部又不够高效，以及涉及到的其它地方也麻烦。如果是UDP发送的，那更不好。另外，分片，对于网络来说，就是发了多个报文，那么就更容易丢包。所以解决分片的问题，不应该让IP这个执行策略的一层去管理，而应该让TCP这个制定策略的一层控制好报文，尽量不要分片，一次性发送。这也就是为什么滑动窗口要分成多个部分来发送而不是一整个发送。

那么TCP应该怎样控制发送的数据？不考虑选项的情况下，最多不超过1500字节，IP协议报头占20字节，剩下就占1480字节，这个1480就是TCP报文的最大大小，TCP报头占20字节，那么最终TCP有效载荷最多不超过1460字节，TCP有效载荷最大字节量就是最大段尺寸MSS。MSS在三次握手时，客户端发送的报文里就有MSS的值1460，而在服务端返回的SYN + ACK应答报文中也有MSS，这是适合当前情况的值，之后客户端再发送给服务端的ACK报文就没有MSS了。

3、简单的分片操作

假设IP报文有3000字节，报头有20字节，有效载荷是2980字节。分片也是IP报文，就必须有报头 + 有效载荷，否则无法组装。分片先以总体1500来分，即20 + 1480。先从头开始分割，原始的报头 + 1480字节的有效载荷为一片，这时报头内部的一些数据需要改变，比如16位总长度；接着再往后分出来1480字节，复制报头过去组成1500字节，这时报头的片偏移，3位标志就得改了；然后继续往后按照这样的策略来分。结果是1500（1480） + 1500（1480） + 40（20），然后3个报文就挨个发送就行。但链路层的MAC帧要求不低于46个字节，所以如果不够46个字节MAC帧就会自己填充PAD字段，实际上就填充一些垃圾数据。

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