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【计算机网络】网络层——IP协议

news 来源：原创 2025/5/23 5:11:11

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本篇博客专栏：Linux

创作时间：2024年5月22日

一. 基本概念

IP指网络互连协议，Internet Protocol 的缩写，是TCP/IP中的网络层协议，设计IP的目的是实现可扩展性，一是解决互联网问题，实现大规模，易构网络的互联互通，二是分割顶层网络应用和底层网络技术的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则。IP只为主机提供一种无连接，不可靠，尽力而为的数据包传输服务

TCP提供数据控制，IP提供数据传输。TCP为传输层协议，其保证传输的可靠性和传输效率，下层的网络层和数据链路层负责数据在网络中的传输。

双方在进行网络通信时，数据并不是从一方的传输层直接发送到另一方的传输层的，而是需要依次向下交付给网络层和数据链路层，然后发送到网络中；对方主机拿到数据后，也需要依次向上交付解包。如下图

数据自顶向下交付，各协议层添加报头的过程叫做封装；报文自底向上，各协议层移除报头的过程叫做解包

网络层的作用就是将数据包从一台主机转发到另一台主机，也叫做路由

专有名词解释

主机：配有ip地址，但不进行路由设备的控制
路由器：既配有ip地址，也可以进行路由设备的控制
节点：主机和路由器的统称

需要注意的是，现代操作系统的某些特定配置下，也可以使得主机具备一定程度的路由功能。比如支持NAT(网络地址转换)，但这并不是主机的主要功能。路由器也可以被称为主机

二. 协议报文格式

4位版本号(version)：对于IPV4来说就是4
4位头部长度(header length)：ip头部的长度，基本单位是4字节，也就是length*4的字节数。比如length = 4，那么报头长度(包括选项)就是4*4=16。4bit表示的最大数字是15，因此IP报头的最大长度是60字节。因为20字节是固定长度，所以选项部分最大为40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(必须为0，后续发展补充)。4位TOS分别为最小延时，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，最小时延比较重要；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数据报整体占多少字节
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，那么每一片里的标识都是相同的
3位标志字段：第一位保留(现阶段不用，后续发展补充)；第二位为0表示禁止分片，此时如果报文长度超过MTU长度，该报文就会被直接丢弃；第三位表示“更多分片”，如果分片，最后一个分片的“更多分片”标志位为0，其他都是1
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于哪个位置，分片偏移的单位是8字节，即如果分片偏移是100，那么实际偏移字节数就是100 * 8 = 800。因此，除了最后一个报文，其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了
8位生存时间(Time of live——TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64。每经过一个路由，TTL - = 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃这个报文。该字段主要用来防止出现路由循环
8位协议：表示上层传输层协议类型
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：发送端，源主机IP地址
32位目的地址：接收端，目的主机IP地址
选项字段：不定长，最多40字节

分片与组装

传输层给IP层的数据如果较大，IP层还需要对此进行分片，然后依次交付给下层的数据链路层。这是因为在数据链路层有着MTU——最大传输单元的限制。

数据链路层规定，IP数据包最大的长度为1500字节，这也反向规定了TCP数据段的最大长度——MSS(最大段尺寸)，MSS的值会设为MTU减去IP头部和TCP头部的长度，以保证TCP报文段在传输过程中不会被分片。

分片：

首先，同一个数据包的分片，标示id是相同的
3位标志字段，第三位 “更多分片” 为0代表是分片的最后一个，为1则不是最后一片，可能是起始，也可能是中间
13位偏移，指示了该数据包相对于起始数据包的偏移量

举例：将一个4500字节的TCP数据段分片封装，认为IP报文没有选项字段，即固定20字节长度

MTU的1500字节是包括IP报头的，所以有效载荷部分最大为1480字节

因为属于同一数据段，所以16位标识相同
3位标志字段，第二位为1表示允许分片；第三位为0表示分片的最后一个分片，为1则不是最后一个
13位分片偏移是相对于起始分片的偏移量

组装

1. 不同客户端发送的数据包，16位标识可能重复，如何区分？

数据包中有ip地址，ip地址不会相同

2. 接收端怎么知道是否有分片

如果3位标志位的第三位“更多分片”为1，代表是分片中的一片(不是最后一片)
片偏移不为0(不是起始分片)
片偏移为0，但“更多分片”为1(起始分片)

3. 如何保证分片收齐

起始分片：更多分片为1，片偏移为0
中间分片：更多分片为1，片偏移大于0
结束分片：更多分片为0，片偏移大于0
独立数据包(没有分片)：更多分片为0，片偏移为0

首先可以保证，起始和结束分片是否收到一定知道；其次中间分片是否收全，IP层需要将所有分片进行排序，然后看每个分片的片偏移是否都等于前一个分片的片偏移+16位总长度

4. 如何组装和确保组装无误

按序排好后，只要分片没有丢失，就可以保证组装成功。如何组装？只要将报头和有效载荷分离，有效载荷依次向上层传输层交付即可

三. 网段划分

IP地址标识网络中唯一一台主机，端口号标识主机中唯一一个进程。所以IP地址+端口号可以表示网络中唯一一台主机的进程

网络通信的实质是，网络中，两个不同主机的进程的通信

端口号在传输层使用，而IP地址在网络层使用

IP地址分为两部分：网络号和主机号

网络号：保证相互连接的两个网段(局域网)具有不同的标识
主机号：同一网段(局域网)，主机之间具有相同的网络号，但必须有不同的主机号

1. 第一次划分

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

A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E类：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

当要判断一个IP地址属于哪一类时，只需要遍历IP地址的前5个比特位，第几个比特位最先出现0，那么就对应属于哪一类IP地址

主机号越多，代表该网络可容纳的主机数越多

但随着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类地址很快分配完了，而A类却浪费了大量的地址：

例如，申请一个B类地址，理论上该子网中允许容纳6万5千多台主机

但实际网络架构中，不存在一个子网有这么多主机的情况，因此大量的IP地址都别浪费掉

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

2. CIDR方案

在原有的五类网络的基础上继续进行子网划分，需要借用主机号当中的若干位充当网络号

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
每一个子网都有自己的子网掩码
将IP地址和子网掩码进行“按位与”操作，得到的就是网络号
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

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

此时一个网络就被更细粒度的划分成一个个更小的子网，通过不断地子网划分，子网中IP地址对应的主机号就越来越短，因此子网中可用的IP地址的个数也越来越少，这就避免了IP地址被浪费的情况

需要注意的是，子网划分不是只能进行一次，我们可以在划分出来的子网的内部再继续进行子网划分

因此一个数据在路由器转发时——路由，随着数据不断路由进入更小的子网，其网络号的位数是不断变化的，准确来说其网络号的位数在不断增加，这就意味着IP地址中的主机号位数不断减少，子网规模不断变小。最终当数据路由到达目的主机所在网络时，就可以在该网络中找到对应的目的主机

四. IP地址不足

IP地址(IPv4)是一个4字节，32位的正整数，因此最多表示的主机数为，将近43亿个。又因为IP地址唯一标识网络中的一台主机，所以要想网络通信，就必须有IP地址。

但全球人口已经有超70亿，更何况不仅电脑，手机等设备，只要是需要上网的，都需要IP地址。由此可见，32位IP地址是远远不够的

因此才提出CIDR的方案，对已经划分好的五类网络继续进行子网划分，其目的就是为了减少IP地址的浪费。

CIDR虽然一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，减少了IP地址的浪费，但IP地址的绝对上线并没有增加，即能表示的主机数没有增加。

为此，人们提出了以下几种方式：

DHCP协议：动态分配IP地址。只给介入网络的设备分配IP地址，因此同一个MAC地址(数据链路层)的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定相同，避免了IP地址强绑定与某一台设备。MAC地址是一个48位的地址，每一个网卡至少配备一个MAC地址。后续数据链路层再详细讲解
NAT技术：能够让不同局域网当中同时存在两个相同的IP地址，NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效的避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机
IPv6：IPv6用16字节，128bits来表示IP地址，从根本上缓解IP地址不足的问题。但IPv6并不是IPv4的简单升级，两者是互不相干的两个协议，彼此并不兼容。目前IPv6在公网还没有普及，但在我国的内网内，基本都已经支持IPv6

1. 私有IP和公网IP

如果一个组织内部组建局域网，IP只用于局域网内部的通信，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。

10.0.0.0 ：前8位是网络号，共16,777,216个地址
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 ：前12位为网络号，共1,048,576个地址
192.168.0.0 ：前16位为网络号，共65,536个地址

包含在这个范围内的，都称为私有IP，只在子网(局域网)是使用，其余被称为公网IP(或全局IP)

2. DHCP协议

手动管理IP地址是非常麻烦的，当子网中新增主机时需要给其分配IP地址，当子网当中有主机断开网络时，又需要将其IP地址回收，便于后续给新增主机分配

因此，对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)协议
DHCP通常被应用在大型的局域网中，其主要作用就是集中管理地址，分配IP地址，使网络环境中的主机动态的获得IP地址，Gateway地址，DNS服务器地址等信息，并能够提高地址的使用率
DHCP是一个基于UDP的应用层协议，一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作一个DHCP服务器

举例：

比如家里面的局域网的网络号为：192.168.2.

可用的IP地址就是192.168.2.0 ~ 192.168.2.255；一般规定.0和.255是不用的；路由器一般为局域网中的第一台主机，即192.168.2.1

DHCP的作用就是，当你的手机和你的电脑连网时，按顺序分配IP地址，如果早上你的手机先连，那么手机的IP地址为192.168.2.2，电脑为192.168.2.3；中午手机和电脑都断了网，下午电脑比手机先连，那么电脑的IP为192.168.2.2，手机为192.168.2.3。这就是动态地址分配——DHCP

3. 路由器

路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，路由器上有两种网络接口，分别是LAN口和WAN口：

LAN口(Local Area Network)：表示连接本地网络的端口，主要用于家庭网络中的交换机，集线器或PC相连
WAN口(Wide Area Network)：表示连接广域网的端口，一般指互联网

我们将LAN口的IP地址叫做LAN口IP，也叫子网IP；将WAN口的IP地址叫做WAN口IP，也叫做外网IP

4. NAT技术

NAT技术是当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个主要功能

一个路由器可以配置两类IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP
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)，即子网的第一个IP。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，即两个子网允许出现相同的主机号
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地址会成为一个公网IP，这种技术成为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)
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公网IP的服务器上，这样的服务器可以在阿里云/腾讯云等等云服务平台购买

5. 代理服务器

代理服务器(Proxy Server)是一种网络服务器，他充当客户端与目标服务器之间的中间人，处理客户端对目标服务器的请求。客户端向代理服务器发送请求，代理服务器将请求转发给目标服务器，并将目标服务器的响应返回给客户端。通过使用代理服务器，客户端可以隐藏其真实IP地址，并且可以提高网络访问速度和安全性。代理服务器还可以使用过滤网络流量，防止恶意攻击和访问受限内容等

代理服务器有两种类型：正向代理和反向代理

正向代理(Forward Proxy)：位于客户和目标服务器之间，代表客户端向目标服务器发送请求。当客户端想要访问互联网上的资源时，它会将请求发送给正向代理服务器，然后由代理服务器转发请求并将响应返回客户端。在这种情况下，目标服务器不知道请求的真实来源是客户端，只知道请求来源于代理服务器
反向代理(Reverse Proxy)：位于目标服务器和客户端之间，代表目标服务器向客户端提供服务。当客户端想要访问某个服务时，它发送请求到反向代理服务器，然后由代理服务器将请求转发给后端的目标服务器，并将响应返回给客户端。对于客户端来说，它只知道请求和响应来自于反向代理服务器，而不知道真正提供服务的是哪个目标服务器