【网络层】网络基础 -- IP协议

  • 引入
  • IP
  • 协议头格式
  • 网段划分
    • 特殊的IP地址
    • IP地址的数量限制
  • 私有IP地址和公网IP地址
  • 分片与组装
    • 如何分片与组装？

引入

我们前面学习了传输层的相关知识，难道真的就是直接传送吗？当然不是，那TCP究竟做了什么？IP又扮演什么角色？

IP层的核心工作:
IP地址的作用：定位主机的，具有一个将数据报从A主机跨网络送到B主机的能力。
那么有能力就一定能做到吗？比如一个同学数学非常好，考了很多次的数学满分，我们可以说他有考数学满分的能力，有很大概率考满分，但是他一定能做到吗？
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IP

IP：将数据从A主机跨网络到B主机的能力

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比如我们要从吐鲁番到北京去游玩，我们没有从吐鲁番直达北京的能力，那么我们就需要选择路径去一个一个转达最后到北京，最终目的地就是北京。

  1. 路径选择中，目标IP非常重要，决定了我们的路径该如何走
  2. ip = 目标网络+目标主机（比如我们去北京游玩肯定是要去北京某个具体的地方，比如故宫、天安门广场等，而北京可以理解成目标网络，而北京故宫理解为目标主机为具体某一地方）

先看一个生活案例：
每个学生的学号都设计过的，假如学号为：学院号+学生编号
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正如上述，互联网也是类似，互联网中的每一台主机，都要隶属于某一个子网。目的是为了方便定位这个主机，这样查找的时候效率高(排除效率高)。这也就是子网划分的目的。

协议头格式

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  • 4位版本号(version)：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4

  • 4位头部长度(header length)：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。 4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节

  • 8位服务类型(Type Of Service)：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

  • 16位总长度(total length)：IP数据报整体占多少个字节

  • 16位标识(id)，3位标志字段，13位分片偏移(framegament offset)：在目录的分片与组装会说明

  • 8位生存时间(Time To Live， TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64。每次经过一个路由，TTL -=1， 一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环

  • 8位协议：表示上层协议的类型

  • 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏

  • 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端

  • 选项字段(不定长, 最多40字节)：略

网段划分

IP地址分为两个部分，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
  • 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

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  • 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起
  • 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他主机重复（就比如你的学院新增一名学生，那么他学号的学院号应该跟你一样，而学生编号应该是不同于这个学院的所有学生）

通过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地址都不相同

那么问题来了，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情

  • 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

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示(该图出自[TCP/IP])

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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

随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，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

  • 例如，申请了一个B类地址，理论上一个子网内能允许6万5千多个主机，A类地址的子网内的主机数更多
  • 然而实际网络架设中，不会存在一个子网内有这么多的情况。因此大量的IP地址都被浪费掉了

针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

  • 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

划分子网例子：

IP地址140.252.20.688C FC 14 44
子网掩码255.255.255.0FF FF FF 00
网络号140.252.20.08C FC 14 00
子网地址范围140.252.20.0~140.252.20.255
IP地址140.252.20.688C FC 14 44
子网掩码255.255.255.240FF FF FF F0
网络号140.252.20.648C FC 14 40
子网地址范围140.252.20.0~140.252.20.79

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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

  • 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
  • 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
  • 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)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43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址

这意味着，一共只有43亿台主机能接入网络么?
实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量远不足43亿；另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址

CIDR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地址的绝对上限并没有增加)，仍然不是很够用，这时候有三种方式来解决：

  • 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，每次接入互联网中得到的IP地址不一定是相同的
  • NAT技术(后面会重点介绍)
  • 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

私有IP地址和公网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

  • 10.*，前8位是网络号，共16,777,216个地址(企业路由器)
  • 172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1,048,576个地址(企业路由器)
  • 192.168.*，前16位是网络号，共65,536个地址 (家用路由器)
    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)

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  • 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IP)
    WAN口IP对外，LAN口IP对内

  • 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中

  • 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)。子网内的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复了

  • 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了

  • 子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)
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  • 如果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，这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买

子网划分概念图：（具体划分是根据地区本图只是大致方向）

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分片与组装

数据链路层，MAC帧协议，自己的有效载荷不能超过1500字节(MTU，可以修改的)
单个报文(IP报头+IP报文的有效载荷)不要超过1500字节 – MAC帧的有效载荷

IP能决定单个报文的大小吗？不能，在网络中决定单个报文大小的是TCP，它是传输控制协议
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(IP分片与组装并不是主流情况)

  • 16位标识(id)：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
  • 3位标志字段：第一位保留(保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到)。 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。类似于一个结束标记。
  • 13位分片偏移(framegament offset)：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)

如何分片与组装？

组装的问题：

  1. 你怎么知道一个报文被分片了?
    如果更多分片是1，就证明该标识的报文分片了
    如果更多分片是0，并且 片偏移>0 说明是分片，否则不是!
  2. 同一个报文的分片怎么被识别出来？
    16位标识
  3. 哪一个是第一个，哪一个是最后一个，怎么判定收全或者丢失？
    当前的起始位置 + 自身长度 = 下一个报文中填充的偏移量大小
  4. 哪个在前，哪个在后，如何正确的进行组装？
    只要按照片偏移进行升序排序即可
  5. 怎么保证合起来的报文是正确的？
    TCP/IP有校验和

分片好吗？
不好，一个报文被拆成多个，任意一个报文分片丢失，就会造成组装失败。而TCP与MAC都不关心进行了分片，也就导致如果出现丢失，那么必然对端要将整个报文重传。

试着分片：
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如有错误或者不清楚的地方欢迎私信或者评论指出🚀🚀

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