【计算机网络】网络层IP协议

文章目录

1. IP协议介绍
2. IP报头
3. IP的分片和组装
4. IP地址
- 网段划分
- 特殊的IP地址
- 子网、局域网、网段的区别
- IP地址的数量限制
5. 公网IP和私有IP
6. NAT技术
7. 路由Route

1. IP协议介绍

IP协议（Internet Protocol）是一种最常用的网络层协议，用于在网络传输过程中的路由选择，确定一条合适的传输路径。

网络是一个复杂的网状结构，由一个个节点交织组成，每一个节点可以是一台主机，也可以是一个路由器。不同网络之间通过路由器进行跳转。数据从传输层拷贝到网络层后，由网络层IP协议添加IP报头，成为IP报文，再发送到网络中。对于TCP/IP协议，可以说，TCP是提供传输策略的，而IP是“办事”的，负责实际传输的路径选择。

在这里插入图片描述

网络的简易结构

IP协议工作在网络层，提供一种能力，跨网络将数据从主机A送到主机B，因此网络层IP协议解决的是主机到主机的通信问题。
网络环境错综复杂，IP协议有能力完成跨网络收发数据的任务，但并不能保证百分百完成。因此，由传输层TCP提供策略，建立各种机制如：超时重传、确认应答，保证网络传输的可靠性。传输层与应用程序进行数据交互，发送时将应用层数据进行一定的可靠性处理后再发送到网络层，接收时将网络层数据进行可靠性处理后再发送给应用层，因此传输层解决的是进程到进程的通信问题。

在这里插入图片描述

主机A向主机B发送数据的网络传输过程

2. IP报头

99237522357)

Header：

版本：指定IP协议版本，IPv4为4，IPv6为6，
首部长度：单位是4字节，范围是20~60字节。首部20字节定长，选项字段不定长。
服务类型 (Type Of Service)：3位优先权字段（已弃用），4位TOS选项，1位保留置0。4种服务类型包括：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最低成本，四者相互冲突，只能选一种。对于FTP协议，最大吞吐量比较重要。对于直播、视频这些应用程序，最小延时比较重要。
报文总长度：IP报文整体长度，最大值为65536字节。
标识：一个IP报文的编号，标识某个主机发送的唯一的IP报文。在IP报文的分片与组装中起重要作用。
标志和片偏移量：都在IP报文的分片与组装中起作用，后面相详谈。
生存时间 (Time To Live)：IP数据包在网络中的最大生存时间（最大路由跳数），一般设为64。每经过一个路由，TTL就会减1，直到减为0则将该IP数据包丢弃，避免IP数据包在传输过程中发生路由循环。
协议类型：指明上层协议类型。TCP是6，UDP是17。
首部校验和：发送方计算，接收方验证，保证接收方收到的数据的正确性，鉴别头部是否损坏。
源IP地址和目的IP地址：“从哪来，到哪去”。标识了发送方的IP地址和接收方的IP地址。

Problem1：IP如何分离报头和有效载荷？

IP报头自描述了首部长度和报文总长度，根据这两个长度描述字段进行拆分即可。

Problem2：IP报文的有效载荷如何向上交付（分用）

IP之上的传输层有不同类型的协议，根据首部的8位协议类型，确定传给上层的哪一个协议模块。

3. IP的分片和组装

传输层的下层——数据链路层规定：一个数据帧的有效载荷长度不能超过MTU (Maximum Transmisson Unit, 最大传输单元)，不同环境下的MTU不同，一般MTU为1500字节。这意味着，IP报文的大小不能超过MTU，为此，IP协议规定，对于超过MTU的IP报文，发送端对数据分片后再逐个发送，接收端收到多个分片后再组装还原。

这就好比快递公司规定单个包裹的重量不能超过2kg，而你要寄一个10kg的电竞椅给远方的好友，那你就需要将椅子拆成多个零件，打成5个包裹寄给他，这是“分片”。对方收到这些包裹后，再将零件统一组成起来，得到最终的椅子，这是“组装”。那么，你“分片”的时候，肯定不能胡乱拆，对方收到零件时也不能胡乱“组装”，双方必须达成某种策略的共识，比如你拆完后告知对方如何组装。

IP协议的分片，本质就是将一个大报文分成多个小报文，组装就是将多个小报文组装成一个大报文。

🔎IP协议的分片和组装的策略用到了IP首部的三个字段：

16位标识：标定一个唯一的IP报文，多个分片在分开前属于同一个IP数据包，因此标识编号相同。

3位标志：第一位保留；第二位是禁止分片标志，一个IP报文的禁止分片标志位置为1时，若该报文长度大于MTU，则在IP模块直接丢弃。第三位是更多分片标志，如果分片了，此位置1表示当前分片后面还有更多分片，置0表示当前分片是最后一个分片，类似于一个结束标志。

13位片偏移：如果分片了，片偏移表示当前分片在原始IP报文中相对于初始位置的偏移量，0表示第一个分片。片偏移的单位是8字节。

发送端的IP分片过程：

在这里插入图片描述

⭕注意：每个IP分片的大小必须是8的整数倍，保证片偏移量为整数（图中数字不是8的整数倍，只是为了方便演示）

接收端的IP组装过程：

接收端收到各种IP报文，需通过IP报头的更多分片标志和片偏移，确定该IP报文是否是分片。会有以下四种情况：

更多分片0，片偏移0：非分片，该报文是独立报文。
更多分片1，片偏移0：该报文是分片，且是某个原始IP报文的第一个分片。
更多分片1，片偏移>0：该报文是分片，且是某个原始IP报文的中间分片。
更多分片0，片偏移>0：该报文是分片，且是某个原始IP报文的最后一个分片。

第一种情况表示该报文不是分片，后三种情况是分片报文的不同位置情况。

在这里插入图片描述

如何确保接收端能够收齐一个原始IP报文的全部分片?

💭值得注意的是，一个原始IP报文的多个分片，大概率不是同时到达接收端的，因此，当接收端收到来自某台主机的IP报文，检测其为分片报文（四种情况的后三种），就会开辟一个专属于该报文标识的缓冲区，等待其它分片到来。后续检测到有同主机相同标识的分片报文，就会进入该缓冲区组装。
⭕分片可能会在传输过程中丢包，导致接收端收到的分片是残缺的。根据分片的四种情况，头尾分片是能够确定的，中间也能根据片偏移确定，因此接收端具有分辨分片是否丢失的能力。接收端检测到分片有残缺部分，无法组装成完整报文，就不会向上交付，一直维护在网络层。接收端TCP一直无法收到数据，就不会向发送端应答，时间久了，发送端便会触发超时重传，IP后续可能会重新收到来自发送端的分片。只有IP组装成完整报文，才会向上交付，这次数据接收才算完成。综上所述：
- IP协议并不能保证分片收齐，而是由TCP保证的。
- 分片与组装是IP协议的模块，TCP并不关心，所以，当IP分片某一块残缺时，TCP重传整个报文，而不是残缺的一部分。
如何保证接收端组装的报文一定是正确的？

IP报头的16位首部校验和保证IP报头的正确性，有效载荷数据正确性由上层协议保证，如：TCP报头的16位校验和，保证了整个TCP报文的正确性。
IP分片的弊端

网络中，过多的分片可能会提高丢包率，增加网络负担，加长网络延时，因此，正确的做法是尽量避免分片的发生。IP会发生分片，归根到底是因为上层发送的数据过大，超过了下层MTU的限制，而IP协议只是个“跑腿”的，别人给他多少数据他都得传，因此，避免分片应该由上层传输层实现。TCP为了避免数据在底层分片，每次发送的数据不能过大，因此引入了MSS (Maximum Segment Size)，表示TCP单个报文的数据部分最大长度。 之所以TCP的滑动窗口内要分成多个报文发出，就是因为有MSS在控制单个报文的大小。MSS的值取决于底层的MTU，在不同环境下不同，一般为1460。TCP三次握手建立连接阶段会进行MSS协商（在首部选项中携带MSS长度字段），取双方MSS最小值作为传输所用的MSS。

4. IP地址

网段划分

💭互联网实际上是由一个个的网段组成的，网段中包含主机或更小范围的网段。

每个主机的IP地址由两部分构成：网络号 + 主机号。其中，网络号指的是主机所处网段的唯一标识，主机号指同一网段内区分不同主机的编号。同一网段中的主机，网络号相同，主机号不同，不同网段中的主机，网络号一定不同，但主机号可以相同。这样一来，IP地址就有了标识网络中唯一主机的能力。
不同网段之间，由路由器连接，路由器相对于每个网段的出入口，数据的发送和接收都要通过路由器。

在这里插入图片描述

同一网段中不同主机的IP由路由器管理，路由器会自动为网段中每一台连入的新主机分配IP地址，避免了手动管理IP的麻烦，这种技术称为DHCP。每一台路由器都有DHCP功能，因此也可将路由器看作一台DHCP服务器。

🔎IP地址通过网络号+主机号的形式，能够区分网络中唯一一台主机。那么，如何合理地进行网段划分呢？

历史上刚开始采用的是A, B, C, D, E五类网段划分，每一类网络中的IP范围不同，IP地址的网络号和主机号位数分布也不同。但这种划分策略因为其固定的地址划分，可能会导致地址浪费、缺乏灵活性。因此，当今互联网采用了子网掩码的方式划分网段。

子网掩码（Subnet Mask）用于灵活地区分IP地址的网络号和主机号。子网掩码是一个32位的整数，其比特位表现为：前半部分全1，后半部分全0。IP地址与子网掩码按位与，得到网络号。

🌰例如：

IP地址：192.168.0.7

子网掩码：255.255.255.0

网络号 = IP & mask = 192.168.0.0

不同子网可以根据自身情况选择子网掩码，确保主机号位数的合理分配，避免地址浪费，这种方案大大优于使用五类网段的固定划分形式。

每一台主机都配套一个IP地址+子网掩码的组合，可以区分该主机的网络号和主机号。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

IP地址的主机号全0，代表这个子网的网络号。
IP地址的主机号全1，代表这个局域网的广播地址，用于给同一个链路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。

子网、局域网、网段的区别

通常在不追求严格的语境下，三者可以混用。具体的：

局域网是数据链路层的概念，通常是指一个二层可达的网络，即发送数据不需要经过路由器向外转发。
子网是网络层的概念，一个IP地址划分的结果，是一个相对概念，子网可以连接着上层更大范围的公网，也可以连接更小范围的子网。子网与子网之间的通信需要路由。
网段和子网(Subnet)通常是同一个概念，只不过网段一般范围大于子网，用于描述更大范围的子网。

IP地址的数量限制

IP(IPv4)地址只有4字节32位，能组成2³²个（约等于43亿）不同的IP地址。这是互联网开始发展时的规定，而随着互联网蓬勃发展，主机设备的增多，IP地址已经远远不够用了。此时有三种技术能够解决：

动态ip地址分配： 路由器动态地为子网中的主机分配ip地址，连接时分配，断连时就回收，供其它在线设备使用，提高了ip地址的利用率。因此同一个MAC地址的设备，每次连入网络的IP地址不一定相同。
IPv6： IP地址以128位整数表示，即有2¹²⁸个不同的ip地址，管够。但是如今IPv6尚未普及。
NAT（Net Address Translation）：地址转换技术，目前主流的解决IP地址枯竭的技术，后面详谈。

5. 公网IP和私有IP

互联网的网段划分按照不同国家不同地区划分，层层划分，细分到某块小地区，必定存在IP地址位数不够的问题，例如：划分到我国某市的IP地址为12.34.192.00/18，此时仅有2¹⁴（约等于1.6w）个不同的主机号，这对一个城市量级的网络来说是远远不够的。

因此，网段划分到一定的小区域时，公网IP不足以分配时，就需要建立局域网了。如果一个子网中的IP地址只用于内部通信，而不与外网直接通信，那么子网内部的IP地址理论上只要保证内部唯一就可以，这就是私有IP。但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址前缀：

10.：前8位是网络号，后16位是主机号，共16777216个地址；
172.16.*~172.31.：前12位是网络号，后4位是主机号，共1047576个地址；
192.168.*：共65535个地址

💡公网IP十分有限，不是每个组织或机构都可以分配到的，因此我们引进了私有IP解决问题。通常各地的运营商掌握着公网IP资源，我们家里的路由器入网，需要当地运营商的工作人员上门操作，本质上就是将家用路由器连入运营商的子网。可以理解为，一个地区的运营商管理着当地所有家庭、公司等组织的路由器，形成一个子网，内部要访问外网必须经过运营商路由器。运营商路由器也可能是层层递进的，只有最顶层的运营商路由器，才有公网IP，访问外网的能力。因此，运营商在我们日常网络通信中，扮演重要角色。

在这里插入图片描述

一个路由器可以配置LAN和WAN两个地址：

LAN (Local Area Network)：路由器的子网IP

WAN (Wide Area Network)：路由器在外层网络中的IP地址

对于运营商管理的路由器，LAN地址一般都是一样的（通常是192.168.0.1）。不同路由器管理的子网中，各主机之间的IP地址是唯一的，而不同子网之间主机的IP可以相同。
顶层运营商路由器的WAN地址就是一个公网IP，一个子网内的主机要想访问外网，就必须经过路由到运营商路由器，再由运营商路由器将网络数据包转发到公网中。
子网内的主机访问外网服务器，路由时，每层路由器会将IP首部的IP地址替换为WAN地址，最终到运营商路由器时，就会形成一个具有公网IP的数据包。这种技术就称为NAT技术（地址转换，Net Address Translation）。

6. NAT技术

子网内的主机要想与外网通信，必须将私有地址转换为公网地址，NAT技术提供了这种转换的能力。如果通信过程一直使用的是私有地址，因为私有地址在公网中无效，多个子网中可能相同，所以从子网能向外网发送数据，而外网却无法根据IP地址向确定的子网发回响应。

NAT地址转换过程如下：

在这里插入图片描述

子网向外发送数据包时，经由NAT路由器，转换IP首部的源地址为路由器的WAN地址，这么做是为了未来对端服务器能够知道将响应发回给谁。而NAT路由器内部需要自动维护一张表，记录转换前后的地址映射关系。

外网服务器向子网发回数据包，根据历史的源地址作为目标地址，发送到目标主机（实际上这个目标是一个NAT路由器）。路由器收到后，查表将目标IP替换回原来的IP，再向目标IP发送数据。

NAT路由器的子网中有多台主机，如果这些主机向外发送数据时，都将目标IP替换为同一个WAN地址，那么路由器收到外部数据时，如何确定应该给哪台主机转发数据呢？这时候NAPT (Network Address and Port Translation)来解决这个问题了，使用IP+port来建立这个关联关系。

NAPT将局域网内的一个网络进程看作是通信的单位（不再是一台主机），采用IP+port的形式确定同一局域网内唯一的一个网络进程。NAPT的工作原理如下：子网内部设备的某个进程请求访问外部网络时，路由器会为其分配一个临时的端口号，并将请求内部的IP地址（IP首部）和端口号（TCP首部）分别替换为路由器WAN地址和临时端口号。

路由器NAPT分配的端口号是唯一的，不同IP数据包的临时端口号不同
路由器NAPT表中维护的映射关系是：目标地址+原始源地址与目标地址+替换后的源地址，替换后的源地址用于向外发送数据。
当收到外部数据时，根据外部数据包的目标地址与表中替换后的源地址比对，找到原始的源地址，确定要发给哪一个内部的目标。
转换表的映射关系是动态开辟的，通信结束时，对应的映射关系就会销毁。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成对应表项; 在断开连接后，就会删除这个表项。

🔎为什么表项中要存储目标地址？

本质是为了拒收非法的外部数据，子网只允许接收自己曾请求的外部节点的数据。对于其它未知的外部节点，通过表项中历史目标地址的比对，可以将其排除，拒收其发送的数据包，这样可以有效避免外部对子网的数据攻击。

NAT的缺陷：

由于NAT依赖这个转换表，因此会有一些缺陷：

转换表的创建、维护和销毁都需要成本；
无法从外部服务器向NAT内网发送数据；
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。

7. 路由Route

🚚路由就是在复杂的网络结构中，找到一条通向目标主机的路径，逐步逼向终点的过程。

路由是跨网络传输的过程，需要经过多个路由器。数据包到达每一个路由器，都会进行“问路”的动作，获知下一跳要到哪里。每个路由器中会维护一张路由表，表中包含与该路由器属于同一层级子网的设备IP地址，如果“问路”时在表中找不到目标IP地址，表示数据包的目标不在本地网络范围内，就会将数据交付给当前子网的出口路由器（默认路由）。以此反复，直到达到目标IP地址。

注意：数据链路实现某一子网区间内的通信，IP协议实现直至最终目标的通信

在这里插入图片描述

事实上，除了路由器，一般主机也会维护路由表，主要用于保存默认路由的信息（又称缺省路由），访问外网时直接将数据送往默认路由。

Linux中，route命令（选项-n表示以数字显示）可以查询当前主机的路由表信息。

在这里插入图片描述

Destination： 目标网络或主机的IP地址，这里第一行的0.0.0.0是缺省路由。

Gateway： 下一跳路由器的IP地址。

Genmask： 子网掩码。

Flags：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。

Iface：发送接口，一般是指哪一个网卡。

关于Destination：

同一局域网内，可能会连接不同的主机，也可能会存在不同的子网。因此，Destination可能是主机IP，也可能是目标网络IP。

跨网络，路由表Destination存储的是子网IP，目标IP与Genmask进行与运算，可以得到网络号，与子网IP进行比对，若相同则下一跳进入该子网；不跨网络路由表Destination存储的就是主机IP了。

一个主机可能有多张网卡，连接不同的网络，目标IP和子网掩码配合使用可以确定IP数据包送往哪个网络。

关于Gateway：

gateway，网关，是指下一跳路由器的IP。同一局域网的设备，因为直连同一网络，所以传输数据无需经过路由器，Gateway设为0.0.0.0。若传输目标不在本地网络，就要使用缺省路由发送到外部网络，因此缺省路由的Gateway设置为该路由器的IP。一个数据包从某台主机发出，查路由表，发现目标地址不在本地网络，就使用缺省路由，其Gateway告知下一跳路由器的IP地址。

转发示例1：如果要发送的数据包的目标地址是10.0.8.0