网络基础——网络层（ip协议详解）

我们知道网路分层存在TCP/IP五层模型：

应用层：负责应用程序之间的数据沟通；自定制协议；知名协议（HTTP/FTP/SSH协议）

传输层：负责端与端之间的数据沟通（端口与端口之间）；封装端口信息（TCP/UDP协议）

网络层：负责地址管理与路由选择；（选择最优路径）；（IP协议，路由器）

链路层：相邻设备之间的数据传输（两个网卡之间，通过mac地址地址标识）（以太网协议（Etherne）交换机）

物理层：负责光电信号的传输（以太网协议，集线器（比如双绞线的长度直径，等等））

应用层和传输层，阿鲤在之前已经分享过了，链接再此：

http https tcp udp

我们在这篇文章中会介绍网络层

提到ip，我想大家首先会想到的是ip地址，是的网络中的一个ip就是一个网络节点。但是ip地址只是ip协议中的一个标识而已，现在就让我们看看IP协议的格式是怎样的。

1：4位版本号：指定ip版本协议，对于ipv4而言就是4；

2：4位首部长度：ip头部长度是以4字节为单位的；而其首部长度是4bit，4bit表示最大的数是15；所以ip头部的最大长度为15*4=60字节

3：8位服务类型：3位优先权字段（弃用）；4位tos字段，和1位保留字段（必须置为0）；4位tos字段分别表示，最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者冲突所以只能选一个。eg：对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延迟就比较重要，对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。

4：16位总长度：ip数据报整体占多少个字节

5：16位标识：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。

6：3位标志字段：第一位保留（不知道干啥，先空下来）；第2位置为1表示禁止分片，如果这时候报文长度超过mtu，ip模块就会丢弃报文。第3位表示”更多分片“，如果分片的话，最后一个分片置为1，其他为0，类似于结束标志。

7：13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始报文中的位置。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。

8：8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般为64，每次经过一个路由，TTL就会减一，如果减到0还没有到达，就直接丢弃了；这个字段就是用来防止出现路由循环的。

9：8位协议：表示上层协议（网络层）

10：16位首部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否受损

11：32位源/目的端口：表示发送端和接收端

12：选项字段：。。。

ok，现在大家对ip协议的结构应该有了一定的认识，那么接下来让我们看看ip协议在网络层是怎样传输的

在网络中，数据的传递被成为一个路由的过程，而路由中的每一个点就是一个ip地址；而在我们日常生活中，负责路由的仪器就是路由器（主机虽然有ip节点，但是不能进行路由控制）

那路由的过程是怎样的呢？

唉，不着急，在讲解路由过程之前，让再看看ip地址的结构

一个ip地址被分为两个部分：网络号+主机号

网络号：保证相互链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路号，但是必须有不同的主机号

其实不同的子网，就是把网路号相同的主机放在一起；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主机重复。

那么合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互链接的网络中，每台主机的ip不相同。

那么问题来了，手动的管理子网ip，是一个相当麻烦的事情。但是！有一种技术叫DHCP；

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这个功能。

说了这么多，我们还不知道网络号和主机号是怎样划分的？

对于网络号和主机号的划分，可以分为两种，以前和现在

首先让我们看看以前的划分

A以前提出的网络号码的划分，将ip地址归为以下5类：

A类地址：0.0.0.0到127.255.255.255；高1位固定，7位网络号，24位主机号；一般用于组建超大型网络--可以包含一千多万的主机

B类地址：128.0.0.0到191.255.255.255；高2位固定，14位网络号，16位主机号；一般用于组建中型网络--可以包括65536个主机

C类地址：192.0.0.0到233.255.255.255；高3位固定；21位网络号，8位主机号；一般用于组建小型网络，可以包含256个主机

D类地址：224.0.0.0到239.255.255.255；高4位固定，28位多播组号

E类地址：240.0.0.0到247.255.255.255；高5位固定，27位保留

随着internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显现出来，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；

eg：申请一个B类地址，理论上一个子网能够允许6万5千多个主机。A类地址的子网数更多，然而实际网络假设中，不会存在一个子网内有那么多情况。因此大量ip地址都被浪费掉了。

为了针对这种情况提出了新的划分方案，成为CIDR（classless interdomain routing）

引入一个额外的子网掩码来区分网路号和主机号；

1：子网掩码也是一个32位的正整数。通常用一串“0”来结尾；

2：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；

3：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；

eg：

ip地址	140.252.20.68
子网掩码	255.255.255.0
网络号	142.252.20.0
子网地址范围	142.252.20.0~140.252.20.255

细心的同学根据例子可以看出：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，

eg：140.252.20.68/24，表示ip地址位140.252.20.68，子网掩码的高位是1，也就是255.255.255.0

在介绍完ip地址的划分后，让我们再看看几个特殊的ip地址散散心

1：将ip地址中的主机号全部设置为0，就成了网络号，代表这个局域网；

2：将ip地址中的主机地址全部设置为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互链接的所有主机发送数据包

3：127.*的ip地址是用于本机回环测试的，通常是127.0.0.1

可是，以上的这些技术可以让我们拥有足够的ip地址吗？

答案是：不能的；因为现在通用的ip地址是ipv4，一共是4个字节，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。

但是世界上的主机远不止43亿个，并且ip地址都是按照网卡分的；

虽然CIDR在一定程度上缓解了ip地址的不够，但是仍然不足。所以出现了下面的三种方法去解决ip地址不够用；

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地址是不同的

2：IPV6：使用128bit来表达一个地址，现在还未推广开；因为和ipv4不兼容。

3：NAT技术：在介绍NAT技术之前，我们先看一下什么是私有ip地址和公网ip地址

私有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，而不是直接连到interent上，理论上，使用任意ip地址都可以，但是RFC1918规定了用于组建局域网的私有ip地址。

1：10.*，前八位为网络号，共16777216个地址

2：172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1048，576个地址

3：192，168.*，前16位是网络号，共65536个地址

在这个范围中的，都称为私有ip，其余则称为公网ip；

每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）；

路由器的所有lan口连接所有主机，其网络号都是这个ip；

不同的路由器，子网ip都是一样的（因为对内），一般都是192.168.1.1；子网的主机ip不可以重复。但是子网之间的主机ip就可以重复了。

wan口ip就是公网ip了，lan对内，wan对外；wan口ip就不能重复了，所以子网之间的ip是可以重复的。

每次在子网内的主机需要和外网进行通信的时候，路由器将ip首部中的ip地址进行替换，这样逐级替换，最终将数据包中的ip地址转换成一个公网ip；这个转换技术被称为NAT（network address translation）

如果我们希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网ip的服务器上。比如阿里云，腾讯云等。

说了这么多，就是未我们介绍路由的过程打铺垫的，现在就让我们一起看看路由的过程；

路由选择就好比一个人问路的过程；

问路：当ip数据包，到达路由器时，路由器会先查看目的ip；

指路：路由器决定这个数据包是否可以直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器

重复：依次反复，一直达到目标IP

那你知道，路由器是如何判定这个数据该发送到哪里呢？

这是因为每个节点都会维护一个路由表；这个表格可以在linux中使用route命令查看。如果ip命中了路由表，就直接转发。

路由表中的最后一行，主要由一下次路由的地址和发送接口两部分组成。

eg：

destination：目的网络地址

gateway：下一条地址；（广播）

genmast：子网掩码

flags：U表示有效，G表示此条目的的下一条地址是某个路由器的地址。

Iface：发送链接接口

好了，以上是阿鲤总结的网络层的知识点了，若有误请慷慨指出！

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