【Linux】网络层

IP协议

协议头格式

网段划分

2中网段划分的方式

为什么要进行网段划分

特殊的IP地址

IP地址的数量限制

私有IP地址和公有IP地址

路由

IP协议

在通信时，主机B要把数据要给主机C，一定要经过一条路径选择，为什么经过路由器G后，不去E而是去H，因为目的IP是主机C。

IP地址的意义：IP地址提供了一种“能力”，将数据从B主机跨网络可靠地送至C主机的能力。能力是什么？是具有很大的概率做成一件事情。举一个例子，有一个教授父亲和学霸儿子，目的是让儿子考100分，如果没考到，教授父亲就要求老师重新考一次，直到考到100分。其中，学霸儿子提供执行、能力和具体的操作，教授父亲提供策略。

我们要求IP地址可靠地将数据发到目标主机（比如要求学霸儿子一定要考100）。实际上，网络层提供能力，传输层提供策略。IP协议提供不了可靠性，丢包问题由传输层来解决。

可以通过ifconfig命令查本主机的IP。

IP=网络号+主机号。如何理解？IP地址的设定是有规则的，我们这一台主机一定是隶属于某一个子网的，凡是在同一个子网里的所有的主机的IP地址都是很类似的，前面的是一样的，前面的是网络号。在路由时，先根据网络号路由，然后才是主机号。比如，唐僧在去取经的时候，唐僧永远说的是我要去西天大雷音寺面见佛祖，所以唐僧的目的地址是西天+大雷音寺，如来佛祖相当于一个进程，唐僧在路上别人告诉的都是西天怎么走，而不是大雷音寺怎么走。所以，在路上路由的都是要去的网络号，到了西天之后，才说大雷音寺怎么走，也就是主机号。再比如，学生的学号，很有规律，学院号+班级号+...，先根据学院号，再根据班级号，等等去找到这个学生。在网络世界里同样如此。

主机：配有IP地址的设备。

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。

协议头格式

报头和有效载荷如何分离

IP报文的标准长度是20字节，4位首部长度（0-15，但是基本单位是4字节，所以首部长度范围是0-60），所以如果没有选项字段，那4位首部长度的值应该是20/4=5(0101)，最多[20,60]的选项字段。所以，在提取IP报文时，先提取20个字节的报头，再提取4位首部长度，再乘以4，减去20字节，就是选项，然后就是数据正文。

如何分用

8位协议是TCP或UDP，到达目标主机之后，可以根据8位协议字段向上交付。

我们再来看看IP中的4位版本，通常是ipv4。IP版本有两种，ipv4和ipv6。ipv4用4字节来表示一个IP地址，用一对源IP地址、目的IP地址来表示从哪发的，到哪去。这就是说ipv4最多能表示2^32台主机吗？是的，但是这个数量是远不够的，后来又想办法解决这个问题。

ipv6用16个字节表示一个IP地址，能表示的主机台数多很多了，但是ipv4和ipv6不兼容。ipv6无法被广泛推广（需要短时间把所有支持ipv4的都换成ipv6）。

8位服务类型：3位优先权字段（已弃用），4位TOS字段，和1位保留字段。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，看自己的需求更大就选哪一个。对于ssh和telnet这样的应用程序，最小延迟比较重要。

16位总长度：可以计算出自身报文长度是多少。

8位生存时间（TTL）：网络世界非常复杂，没有人能够把网络的拓扑结构搞清楚。网络是人设计的，肯定会有bug，报文在经过路由传输时，可能会出现环路问题，在一个环路中循环起来，导致该报文在网络中一直存在，时间一久这个环形网络就会积攒大量报文。所以，我们要给报文设置生存时间，每经过一个路由器，这个生存时间计数器就-1，当识别到该报文的生存时间减到0时，这个报文就被丢弃掉了。

综合来看，网络中任何一个报文会包含：源IP，源端口、目的IP、目的端口，协议号。源IP和目的IP在网络层，源端口和目的端口在传输层中。在网络通信时，客户端和服务器都要有自己的套接字信息，把源IP，源端口、目的IP、目的端口都打包发过去，并且要把IP地址和端口号转换为网络序列，因为要作为报文的一部分。另外，双方在进行通信时，通过IP报头中的8位协议来判断传输层是通过TCP协议还是UDP协议传输，这就是协议号。把这样一个五元组标识一个网络通信。这就是我们为什么把网络编程称为套接字编程，因为是通过IP和端口号的标识来进行通信的。

网段划分

2中网段划分的方式

已ipv4为例，一共有2^32中排列组合，IP地址是一个有用且有限的资源，和石油天然气一样有限，所以在国际中会存在竞争关系，所以，IP地址要通过合理划分来给不同的区域，国家，组织，学校等。所以，我们的网络世界，是被精心设计过的，从硬件到软件。

IP地址地址分为两个部分：网络号+主机号。

同一个网段的主机网络号是一样的，主机号不一样。路由器横跨两个子网，在两个子网看来，路由器都是自己的设备，注定了路由器要配两张网卡，两种不同IP。路由器是整个子网的第一台主机，所以它的IP地址一般是子网号+1，所以IP地址被分为网络标识和主机标识。当某一个网络中新插入一个主机时，其网络标识必须一样，主机标识必须不一样，IP地址是被动态分配的。

路由器：具有路由的功能，但是现在的路由器不单单只有路由的功能，还可以构建子网。

在路由器的背面，提供了IP地址，可以在浏览器直接访问这个IP，更改路由器的属性。看到路由器有web功能。

手动管理子网内的IP非常麻烦，现在有一种技术叫DHCP，能够自动给子网内的新增主机节点分配IP地址，避免手动管理IP。一般的路由器都带有DHCP功能。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把IP地址划分为五类：

随着互联网的飞速发展，这种划分方法的局限性就显现出来。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。比如，申请了一个B类网址，理论上一个子网内能允许6万5千多个主机，但是在实际中，一个子网内不会存在这么多情况，因此大量的IP地址被浪费了。

针对这种情况提出了新的划分方案，称为CIDR。

引入一个额外的子网掩码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，以一串“1”开头；
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。

下面举几个例子，

1.IP地址是140.252.20.68，子网掩码是255.255.255.0，将这两者按位与，得到该IP地址的网络号140.252.20.0，所以子网地址的范围是140.252.20.0~140.252.20.255，主机地址全0（140.252.20.0）是网络号，主机地址全1（140.252.20.255）代表广播地址，所以能够真实作为主机IP的子网地址个数是256-2=254。这些子网掩码会在路由器中配置好。

2.每一个IP报文里会携带目的IP，子网掩码一般会配给路由器，同时还会给路由器配网络号，未来报文中的目的IP地址和路由器配置的子网掩码按位与，得到的结果如果和给路由器配置的网络号相等，说明该报文要去的网络和这个路由器是直连的，所以这个IP报文已经送到了目标网络的入口路由器处。比如IP地址是140.252.20.68，子网掩码是255.255.255.240，相与得到网络号140.252.20.64，其子网地址范围是140.252.20.64~140.252.20.79，计算过程如下：

但是40.252.20.64和140.252.20.79不用，所以这个子网可以接入一共有14台主机。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地址和子网掩码还可以更简洁的方法，我们在书写的时候，子网掩码写在IP地址的后面，如140.252.20.68/28，表示子网掩码的前28个bit全为1，之后后4个bit位为0。

为什么要进行网段划分

经过精心的设计，对网段合理的划分，可以高效支持未来的报文路径查找，大大提高查找目标主机的效率！

特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全部设成0，就成了网络号，代表这个局域网；
将IP地址中的主机地址全部设成1，就成了广播地址，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43亿个。而TCP/IP协议规定，每个主机都要有一个IP地址，这意味着最多有43亿台主机能接入网络吗？实际上，由于一些特殊IP地址的存在，可以IP地址数量远不够43亿个；此外，每一张网卡也需要配置一个或多个IP地址。

上面第二种网段划分方式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地址的绝对上限没有增加，还是不够用。可以通过以下3种方式来解决：

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，每次接入互联网的IP地址不一定是相同的。
NAT技术。
IPv6。IPv6并不是IPv4的简单升级，这两个协议互不相干，彼此互不兼容。IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，目前并未普及。

私有IP地址和公有IP地址

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只能用于局域网内的通信，而不能直接连到internet上，理论上，任意的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：

10.*前8位是网络号，共16777216哥地址；
172.16.*到172.31.*，前12位是网络号，共1048576哥地址；
192.168.*，前16位是网络号，共65536哥地址。

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）。私网IP不能出现在公网中。私有IP地址可以在不同的私网中重复。虽然存在公网，但是我们在上网时，都必须先接入指定一个内网中，我们所有人都在各自的内网中，没有人能接到公网里，只有运营商自己能接到公网里。

我们家里的路由器，一旦被组装好，就会形成一个内网环境，路由器能够构建子网。路由器也需要IP地址，就会去上面的私有IP地址中挑一个。然后家里的手机电脑就可以连上网络了，连上路由器后分配的IP地址是私有IP。路由器至少要级联两个网络，路由器连接的另一侧是运营商的子网环境，所以家用路由器要配两个IP地址，一个叫做LAN口IP（路由器自己构建的子网，子网IP），另一个叫做WAN口IP（对外连接到运营商的子网）。而运营商也有自己的LAN口IP和WAN口IP，在运营商看来，所有的路由器都构成了子网。从运营商自己的路由器之后，就开始接入到公网了，这个进入连接公网和内网的路由器叫做出入口路由器。抖音的服务器和运营商的服务器都在公网中，就可以通信了。网络世界=内网+公网构成！网络是被各个国家的运营商精心设计过的。

如上图所示，那如何把我们的报文通过网络发给抖音服务器，抖音服务器如何转发回来的呢？src：192.168.1.201，dst：122.77.241.3，我们自己的主机有自己的网络层，我们自己子网下的所有主机都知道自己的网络号是多少（主机IP地址&子网掩码），我要去的目标网络的网络号是122.77.241.0（目的IP地址&子网掩码），很显然，我要去的网络和我直连的网络不在同一个网段，就把报文交给家用路由器，家用路由器的WAN口号是10.1.1.0，也就是整个运营商构建的子网是10.1.1.0，而你要去的网络122.77.241.3，很显然也不是我们自己这个内网转发的，怎么办？只能把报文交给运营商的出入口路由器，这个路由器WAN口IP接的就是公网了，然后就把报文经过公网转到了抖音的服务器。任何主机都有能力知道和自己直连的网络号是多少。

那抖音服务器应答回来的时候，不就傻眼了吗？192.168.1.201是一个内网IP，内网中的IP地址可能会出现重复的，所以这种通信模式并不能正确地完成我们的通信。

那该怎么通信呢？src：192.168.1.201，dst：122.77.241.3，这个报文还是和上面一样，先交给家用路由器，因为私网IP地址不能出现在公网中，每经过家用路由器，都要将报文中的srcIP，替换为自己的WAN口IP，报文的IP就变成了src：10.1.1.2，dst：122.77.241.3，然后再交给出入口路由器，出入口路由器转发的时候，将srcIP转为该路由器的WAN口IP，src：122.77.241.4，dst：122.77.241.3，然后交给抖音服务器，抖音服务器以为在公网中的某一个设备在通信，然后把响应就可以把报文发回来给出入口路由器，接下来就是把报文内网转发。把这种在报文经过路由器转发的过程中不断进行源IP地址替换的工作，称之为NAT技术。只是进出内网的时候做替换，一旦进入公网后，就不需要替换了，因为公网之中所有主机是可以互相通信的。

路由

路由，就是在复杂的网络中，找出一条通往终点的路线。

路由的过程，就是这样一跳一跳“问路”的过程。

举个例子，比如你第一次去上海，要去复旦大学，也没有导航，只能问路。遇到一个大爷，就问复旦大学在哪（排除被拒绝的情况），可能会得到以下几种回答：

1.大爷说，小伙子，你去坐206公交，到xxx下车，再坐36公交，就可以到了。

2.大爷说，小伙子，我也不太清楚啊，你去问一下火车站那个保洁大妈，她对方圆几十里比较熟。

3.大爷说，小伙子，你不用找了，我是复旦大学的保安，你现在到了。此时你立马问这个大爷，18号楼怎么走，大爷说，沿着路直走500m左手边（大爷帮你内网转发）。

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地址；
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；、

每一个工作在网络中的设备，都会存在一个路由表（route指令查看），假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：

这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24，另一个网络连到192.168.56.0,。Destination表示当前主机能找到哪些网络，目的网络地址；Gateway表示如果想去Destination，应该把报文交给哪一个IP的主机，下一跳地址，如果是*，表示要去的目标网络和我直连；Genmask是子网掩码，可以看到子网掩码不一样，这表明这台主机可以直接间接帮我们找到不同网段下的子网；Iface是收发数据的接口；Flag中的U标志表示此条目有效，G标志表示此条目的下一条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，Destination是default，表明这是缺省路由。

当该路由器拿到报文后，拿目的IP地址和子网掩码相与，去看Destination里有没有匹配的，如果没有匹配的，只能去缺省路由了。然后把报文通过eth0接口把报文发出去。

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，和第二行的目的网络地址一样，所以从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路由器根据她的路由表决定下一跳地址。

最后再来谈一下IP报头中16位标识、3位标志、13位片偏移。

上层交给数据链路层的报文，数据链路层也要添加自己的报头，数据链层层规定其有效载荷的长度是有上限的，一般不能超过1500字节，称为MTU（最大传输单元），如果超过了MTU，数据链路层就不提供链路转发。网络层一看数据链路层的态度那么强硬，网络层又颤颤巍巍看了传输层，就渴望地对传输层说你给我的报文能不能小一点，因为报文是否超过1500字节是由你传输层决定，但如果传输层的态度也很强硬，传输层就给网络层传输2000字节，网络层也很无语，上下两层都很强硬，只能自己想办法了。网络层只能分片转发了，把传输层传来的2000字节分成两个1000字节，分批传给数据链路层。网络层即使虽然分片了，但是传输层和数据链路层都不知道也不关心，但是接收方收的时候，不能收到两个1000字节的，而必须是完整2000字节的，所以对方网络层必须要做组装，将两个1000字节组装好再向上交付。

经过这一点理解，我们要知道这几点：

在网络世界里，只有IP报文！只有双方主机才能知道这是TCP/UDP报文。
假设要发1个IP报文，后来分片成10个IP报文发出去，但是有1个报文丢了，所以对方网络层就不能把9个报文交给上层传输层。分片中，有一片报文丢失，表示整个报文丢失！不给传输层交付，传输层也就收不到，收不到也就不会有应答，发送方就会自动超时，就只能进行重传了。

如果过多分片，就会增加丢包概率。分片组装这不是也不应该是网络转发的主流！丢包对于上层的影响是相同的，只不过对于TCP由丢包重传机制，UDP没有。

由于丢包后传输层就要重传，所以，为了尽可能避免丢包，就尽量避免分片，所以网络层最多能接受传输层1480个字节，传输层的报头是20个自己，那传输层从发送缓冲区一次读取的字节最多是1460字节，这也就是TCP滑动窗口中的内容不能一次打包全部发送，而是要分段发送的原因，最本质的就是因为数据链路层底层有MTU的要求！

接收方收到的报文有分片的，也有没分片的。我们先来看一下如何组装：

1.如何区分我收到的报文是分片了呢？

对于16位标识，不同报文的标识是不一样的，而一个报文的不同分片，标识必须相同。

对于3位标志字段，第一位是保留的，第二位为1表示禁止分片，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，最后一个分片置为0，其它为1，类似于一个结束标记。

对于13位片偏移，是分片相对于原始IP报文（报文数据）开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原报文中处于哪个位置。实际偏移的字节数是这个值的8倍（实际偏移的字节数右移3位得到13位片偏移）。因此，除最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍。

那如何区分收到的报文是不是分片了呢？首先，我收到的报文要么是第一片，要么是中间片，要么是最后一片。如果是第一片，“更多分片”就是1，且片偏移是0；如果是中间片，“更多分片”就是1，且片偏移>0；如果是“最后一片”，那更多分片一定是0，且片偏移一定大于0。

因此，if(更多分片 == 1 || 片偏移>0){分片了}。

那如果没有分片呢怎么识别，更多分片一定是0&&片偏移是0，就是没分片。

那如何保证我们把分片收全了呢？那就先想想如果没有收全，会发生什么。如果没有收到第一片，那就是没有偏移为0的。如果没有收到最后一片，那就会没有收到更多分片为0的。然后，为了判断是否没收到中间片，可以将所有分片按照片偏移进行升序排序！拿着第一个分片的偏移量+自己长度，就应该是下一个分片偏移量的值，如果发现不是，就甄别出来中间是哪一个分片丢了。如果遍历完到最后一个分片，发现所有的都符合当前分片的偏移量+自己长度，就应该是下一个分片偏移量的值，这就是收全了。

如何组装？对收到的分片，边收边排序，按照偏移量头插，只要收全了，自然就组装好了。