【网络层】之IP协议

网络层的作用

IP协议是网络层的一种典型协议，只要弄清楚了IP协议的作用，那么网络层的作用也一目了然了。

• IP协议的功能是：主机定位与路由选择。

它的功能的实现离不开IP地址，IP地址就是点分10进制的字符串，每一个十进制都对应8位二进制，实际上网络中IP地址是32位的整数，但是日常使用这么大的数不太方便，所以在主机端都转为字符串形式给用户，用户使用的也是点分十进制的字符串IP地址。

• 主机定位：指的是主机A可以通过对方主机的IP找到它，并把信息交付给它。一般都是客户端先访问服务器，服务器的IP地址都是固定的，晓为人知的。

• 路由选择：指的是主机A->主机B上有很多路由器，它们如何知道应该将报文转发给哪个局域网，这是由目的IP地址决定的。

IP地址不足的问题

现在大部分国家使用的IP地址都是IPv4地址，我们下面介绍的也是IPv4地址的协议，它一共有32位，对应2^32（42亿）个IP地址，但是不是所有IP地址都是有用的，有一些要用于特殊用途（本地测试），全球那么多网民，IP早就不够了，所以我们需要使用其它的方法来解决这一问题。

这还不包括那些物联网设备，那些设备如果想联网也需要占用IP地址。

私网IP和公网IP

私网IP地址是指子网中的IP地址，私网IP地址专用于局域网（子网），而我们通常说的公网是指的互联网，这个大网是由全世界的大大小小的局域网组成的，如果某一个小的局域网想要接入公网中，它就必须有一个公网IP，公网IP和私网IP是分开的，A、B、C类地址中存在私有IP地址。

为什么要这么设计，大家都用公网IP不就行了吗，理想很丰满，现实很骨感，归根结底还是为了解决IP地址不足的问题。

• 子网IP在不同的局域网中是可以重复的，通过外部的公网IP转发报文即可，这在一定程度上解决了IP地址不足的问题，但这样的效率是很慢的。
• 但公网IP是绝对不能重复的，它一定是整个互联网中唯一的。

网段划分

传统的网段划分的方法

每一个IP地址=网络地址+主机地址。这个是什么意思我们介绍完下面的几类地址再谈：

A类地址：

• 地址范围：A类地址的第一个八位字节（即前8位）表示网络部分，剩下的三个八位字节（即后24位）用于主机地址。因此，A类地址的范围是从0.0.0.0到127.255.255.255，但实际可用的A类地址从1.0.0.0开始至126.255.255.255结束（127.x.x.x被保留用于回环测试）。
• 默认子网掩码：255.0.0.0或/8。
• 特点：
  • 支持大量主机（每个A类网络理论上可以支持2^24−2个主机地址，大约1670万个），适合大型组织使用。
  • 只有少数的A类网络存在，因为它们消耗了大量的地址空间。

B类地址:

• 地址范围：B类地址的前两个八位字节表示网络部分，后两个八位字节用于主机地址。B类地址的范围是从128.0.0.0到191.255.255.255。
• 默认子网掩码：255.255.0.0或/16。
• 特点:
  • 每个B类网络理论上可以支持2^16−2个主机地址，大约65534个，适合中型规模的网络。
  • 相比于A类地址，B类地址提供了更多的网络数量，但每个网络内的主机数相对较少。

C类地址：

• 地址范围：C类地址的前三个八位字节（即前24位）用于表示网络部分，最后一个八位字节（后8位）用于主机地址。因此，C类地址的范围是从192.0.0.0到223.255.255.255。
• 默认子网掩码：255.255.255.0或/24。
• 特点
  • 每个C类网络理论上可以支持2^8−2=254个主机地址，适用于小型网络。
  • 提供了大量的网络数量，但每个网络内的主机数相对较少。

D类地址：

• 地址范围：D类地址的范围是从224.0.0.0到239.255.255.255。
• 用途：D类地址主要用于多播（Multicast）。多播是一种允许一个发送者同时向多个接收者发送数据的技术，不同于单播（Unicast）和广播（Broadcast）。
• 特点：
  • 不区分网络部分和主机部分，因为它们不用于一对一或一对所有的通信模式。
  • 常见的应用包括视频会议、在线直播等需要一对多传输的服务。

E类地址：

• 地址范围：E类地址的范围是从240.0.0.0到255.255.255.255。
• 用途：E类地址被保留用于实验和研究，并未公开分配或广泛使用。实际上，这个范围内的很多地址都是不可用的，例如255.255.255.255通常用于本地网络的广播地址。
• 特点：
  • 并不适合普通用户的使用，主要用于未来的扩展或者特殊的研究目的。

然而，随着网络的发展，这种网段划分的局限性很快就体现出来了，因为A类地址的网络号为8，所以A地址很快就被划分完了，但是一个A类地址所构建的子网里有2^24-2台主机，这么大的子网上肯定不存在的，所以就造成了很多IP地址的浪费。

而对于B类网络来说，它的网络号有2^16个，所以B类网络申请的人最多，所以就造成了B类地址严重不足。

CIDR网段划分

因为传统的将IP地址分为5类网段划分的局限性很快就体现出来了，IP地址很快就被用完了，所以急需一种新的方案来解决IP地址不足的问题，CIDR这一新的划分方法，就是为了解决这一问题提出的。

它的核心在于一下几个点：

1. 将IP地址分成私网IP和公网IP，公网IP和私网IP是不能重复的。

   [图]->公网IP以及常见的私网IP。

2. 精选设计网络，将IP地址分成网络号+主机号，引入子网掩码的概念，子网掩码就等于网络号全1，其余位为0，当IP地址与它所处的子网掩码相与，就可以得出这个IP地址的网络号。

   下图是子网掩码举例子：

   

路由器的角色

路由器主要负责，转发报文+路由选择。

路由器还可以组织网络，它具有组网的作用，我们家用路由器，就可以组织网络，并给这个子网中的主机分配IP地址，分配IP地址现在通常都是DHCP算法，自动就给主机分配IP了，当然主机也可以选择手动自己配置IP地址。

理解运营商的角色

为什么我们每天在刷抖音、逛淘宝时，明明访问的是抖音、淘宝的服务，为什么却要把流量费交给运营商呢？

因为整个网络世界都是运营商精心设计的，没有它们我们就无法访问网络，就像高速公路要交过路费一样。

在网络中每一个终端设备，我们将其称之为主机，主机不管是联WIFI还是使用流量访问某抖或者某淘的服务器，都避不开运营商路由器对报文的转发与路由，因为整个网络世界就是它们构建起来的。公网IP不能重复，但是内网中的IP地址是可以重复的。通过路由器可以将内网中的数据一层层的转发，直到转发到相应公网中的服务器。

我们都知道，我们服务器与客户端在进行通信时，首先客户端访问服务器，那客户端是的主机是处于一个局域网中，IP是一个私有地址，服务器应该如何返回报文呢？这一切的一切都得益于NAT技术的转换，NAT技术本篇博客不做介绍。

子网划分的过程

了解了CIDR网段划分，我们来介绍一下世界这个庞大的互联网是如何被精心设计出来的（只介绍大致轮廓，真实情况只有运营商才能知道）：

• 首先国家与国家之间，我们分配网络号为8位就够了，因为整个世界有独立主权的国家有197个，8位网络号一共可以有256个网络号，代表256个大的子网，每个子网都需要一个的路由器，来帮忙转发报文，因为不同子网间的主机想要，必须需要路由器进行转发，所以一个路由器必须有两个口，一个口接内网（LAN口），另一个口接外部网络。
• 接下来以中国为例继续划分，中国有34个省，我们对于省与省间的局域网，分配6个网络号就行了。这些省与省之间也需要路由器来作为节点，组织一个省间的局域网，使用路由器是因为下面还需要组网。
• 然后对于省下面的市，我们继续分配5个网络号，用于组织市之间的局域网，然后往下就不再划分公网IP了，而是使用内网的形式来组织网络，因为再继续划分IP地址就不足了。内网与公网之间使用NAT技术进行通信。

用图来表示就是这样：

假设此时我们有一个报文，要从浙江省A市的公网IP为3.8.32.2/19的运营商所在的子网下的终端A发往公网IP为3.16.64.3/19下的云服务器。大致过程如下：

1. 首先报文会被交给家用路由器，家用路由器查路由表，通过目的IP&子网掩码求出网络号，再求出自己的网络号，发现目的IP所在的网络号并不属于该路由器的网络，于是默认路由，家用路由器将报文交给运营商路由器。
2. 运营商路由器重复刚刚家用路由器的动作，该报文的目的IP也不属于运营商路由器所构建的子网中。
3. 那它是否属于运营商路由器所在的公网子网中呢？将运营商路由器的公网IP&255.255.224.0得到该运营商路由器对应的网络号3.8.32.0，而目的IP3.16.64.3&255.255.224.0得到3.16.64.0显然两者并不相等，于是该运营商路由器继续默认路由，将报文交付给A市的路由器。
4. A市的路由器在拿到报文后，将3.16.64.2&255.255.252.0，结果为3.16.0.0，而当前的子网的网络号为3.8.0.0所以该报文不在当前的子网中，继续默认路由，将报文交给省路由器。
5. 省路由器所在的子网网络号为8位，将3.16.64.2&255.0.0.0得到3.0.0.0与当前子网的网络号相等，所以判断，该报文一定需要交付给某一个路由器，由于它们在一个局域网中，所以我们查找路由表，应该将报文交给山东省的省路由器。
6. 山东省的省路由器在查路由表之后，发现该报文属于B市，于是继续将报文发往B市。
7. B市的市路由器继续查路由表，最终找到该目的IP，并将报文交给该服务器。

至于报文如何返回，这就与我们的NAT技术有关了，今天这篇博客不会介绍。

路由表

路由表是由路由器维护的，但是通常每台主机的内核🀄️也维护的有一张路由表。因为路由表的存在我们才能不断的转发报文，因为路由表维护了这个局域网的所有主机的IP地址信息，它还维护了上级路由表的信息，一般是默认路由中存储。

我们可以使用下面指令来查看主机中维护的路由表的信息：

1. 对于Linux系统（Ubuntu）来说：

   route
   route -n #-n选项表示全部以数字形式显示
   

   

我们主要看route -n所显示的结果：

• 标志位介绍：
  • U：表示该路由有效。
  • H：H即host，中文意思是主机。表示该路由的目的地址是主机，而非一个网络。
  • G:表示该路由的目的地址是一个路由器。
• Destination：这个表示此行路由条目的目的地址。
• Gateway:此行路由条目的下一条地址。
• Ref:Ref（Reference Count，引用计数）这一列显示的是特定路由被引用的次数。这个值通常表示有多少活动连接或进程正在使用这条路由。实际上该列已经使用的很少了，所以经常为0，可以理解为废弃了。
• Metric：在路由表中，这一列所代表的值是一个度量值，用于路由选择。Metric值可以基于多种因素计算得出，如带宽、跳数（经过的路由器数量）、延迟等，具体取决于网络协议和配置。一般来讲，如果路由表中存在多条到达目的IP的路径，系统会选择Metric低的那条路径。
• GenMask：子网掩码不过多介绍，通常通过它来判断我们要去的目的IP与该条路径的目的IP在不在同一个子网中。
• Use Iface :在路由表中，Iface列表示的是“接口”（Interface），指的是将要使用的网络接口来发送对应目的地的数据包。这个字段指定了通过哪个网络接口（如eth0、wlan0等）去往指定的目的地。

2. 对于windows系统，你可以使用如下指令：

   route print
   

   选项：

   

例如：route -4：

这里的跃点数理解为Linux内核路由表中的Ref即可。

转发过程例 1: 如果要发送的数据包的目的地址是192.168.244.3。

• 第一行是默认路由，我们先跳过，如果最终路由表中没有相应的目的网络所在的子网，我们就默认路由。

• 与第二行目的网络的子网掩码相与，得到192.0.0.0，与第二行的目的网络地址不符。

• 与第三行的目的网络的子网掩码相与得到192.168.244.3，与第三行的目的网络地址也不符。

• 直到计算到第倒数第13行，目的网络地址为192.168.244.0/24。

  

  与其在同一个网络，所以我们可以将报文从相应网络接口发送出去。

IP协议介绍

IP协议的格式如下，我们一一介绍：

1. 4位版本：标识你使用的IP协议是IPv4还是IPv6。
2. 4位首部长度：和TCP协议中的手表长度一样也有基本单位，基本单位为四字节，存储IP报文报头的长度（包括选项）。
3. 16位总长度：存储整个IP报文的长度。
4. 8位生存时间：TTL的主要作用是限制数据包在网络中的存活时间或经过的路由器跳数，以防止数据包在网络中无限循环。因为路由器在网络中是可能出现bug的，因为它的工作离不开软件的支持，我们只能容忍bug,而不能消灭bug，因为这个项目足够大，肯定会出现bug，那如果某一个路由器出现换路，路由算法就可能让这个报文一直在这个环中传输，久而久之可能发生网络拥塞（造成损失）。限制报文的生存时间，就可以有效的防止这种情况的发生。
5. 8位协议：标识传输层是TCP协议还是UDP协议。
6. 16位首部检验和：检验IP报文的头部的数据传输中是否发生了错误。
7. 32位源IP地址：标识本机的IP地址，这也是我们在socket编程中bind的IP地址。
8. 32位目的IP地址：标识目的主机的IP地址。

还有中间的4字节的字段，与IP分片相关（数据链路层mtu限制了数据链路层有效载荷的大小），如果传输层给网络层的报文太大，就必须进行IP分片，否则报文将被直接丢弃，即使TCP协议对其有所控制（通过三次握手协商大小），但是UDP协议是没有这些机制的（完全依赖与应用层）。IP分片的情况属于少数，今天这篇博客，我们就不谈这部分了。

所谓的IP协议，体现在Linux的kernel，不就是用相应的数据结构来描述的嘛？双方操作系统都需要有这个一模一样的数据结构：

hdr是headr的缩写。

报文如何分离、交付

如何分离：通过16位总长度和4位首部长度，我们可以分离IP报文的报头和有效载荷。

知道了分离，封装就是它的逆过程，很好理解，不再赘述。

如何交付：通过8位协议，我们可以知道应该交给上层的传输层的UDP协议还是TCP协议。