Linux相关概念和易错知识点（45）（网络层、网段划分）

我们前面暂时跳过了网络层，带着网络层的功能去学习链路层。现在可以说我们只差最后一块拼图了，通过网络层，了解IP报头的具体组成，我们就可以串联整个协议栈了。当然，有了ARP、MTU、NAPT的链路层铺垫，网络层会理解地非常轻松。

1.网络层

（1）IP协议头格式

网络层接收传输层的数据段，在这里进一步封装为数据报，报头结构如下图：

4 位版本号： 指定 IP 协议的版本，对于 IPv4 来说，这个字段的值就是 4。有的 IPv4 集成到了系统里，这些生态问题很难改变。

4 位头部长度： 4bit 表示的最大的数字是 15，真实的头部长度要 * 4，所以 IP 头部最大长度是 60 字节。固定长度是 20 字节，选项最多有 40 字节。

8 位服务类型： 其中有 4 位 TOS 字段，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）。 除此之外，还有 1 位保留字段必须置为 0，以及 3 位已经弃用的优先权字段。

16 位总长度： IP 数据报总长度，包含IP报头 + 数据部分，IP报头的长度前面的 4 位头部长度也单独统计过。

16 位标识： 要理解这个，我们要结合MTU来看，链路层约束IP数据报（包含报头 + 数据）不能超过1500字节，如果超过了就要分片、重组。 所以在网络层，忽略报头的选项部分，发现传输层传下来的数据段超过1480字节的话，就要将数据分成多片，交到目标主机处再进行重组（路由器不会重组）。其中 16 位标识就是给每个分片一个相同的 ID，相同标识的说明它们原本是在一起的，网络层也会根据 16 位标识判断哪些分片属于同一组的。

3 位标志字段： 第 1 位现在不使用； 第 2 位为 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。000表示无分片或者最后一块分片，001表示首块分片和中间分片。要结合片偏移最终确定。

13 位分片偏移： 是分片相对于原始 IP 报文数据部分开始处的偏移量，分片后每个片作为一个数据报独立传输，偏移量告诉了之后应当按照什么顺序组装，重组后的报文应当是完全连续的。 如果 13 位分片偏移的值是 1，说明其偏移的字节数是 1 * 8，这个偏移值要 * 8才能得到真实偏移值。 因此，每个分片（除了最后一个分片）的数据量应当是 8 的整数倍，否则无法连续地拼接起来。 总结一下，标识字段000，偏移量0表示无分片；001 + 0 表示第一块分片，001 + !0 表示中间的分片，000 + !0 表示最后一块分片，010表示禁止分片。

8 位生存时间（TTL）： 数据报到达目的地的最大跳数，一般是64。每次经过一个路由转发，TTL -= 1，如果一直减到 0 还没到达，那么就丢弃，由上层控制重传。这个字段要是用来防止出现路由循环和网络拥堵。

8 位协议： 值表示上层协议的类型，6 对应TCP协议；17 对应UDP协议，1 对应ICMP协议（ping命令使用的协议），也就是说协议号为 1 的话报文就会交给ICMP协议去处理，而不是常认为的TCP和UDP。这和链路层mac帧格式的“类型”有相似之处，IP也是有自己的类型的，不同类型的IP报文其数据部分也不一样。

16 位头部校验和： 进行校验，其功能和链路层的CRC校验一致，主要用于鉴别头部是否损坏，损坏的话该报文直接丢弃。链路层和网络层都有自己的校验手段，链路层校验失败后直接丢弃且不做任何反馈，相应的，IP分片重组肯定收集不齐，也会重组失败，反映到传输层就是传输失败，由相应重传机制控制重传。如果IP层检验和失败，同样会直接丢弃且不做反馈，同样重组分片会因为不齐而失败，由传输层/应用层控制重传。 两者都不维护可靠性传输，如果校验失败都会直接丢弃而不反馈，造成后续的错误最终都汇集到传输层/应用层，由它们进行控制。 这也体现出分层的特点。

32 位源地址和 32 位目标地址： 表示发送端和接收端。其中路由器进行NAPT的时候会来修改这两个字段（正向查表和反向查表）

（2）工作流程

网络层负责接收传输层传下来的数据段。根据数据段的大小，进行分片处理。分片处理后的每一片都是一个独立的数据报，有着完整的IP报头，但是由于将数据部分分片，每个数据报里面的数据部分实际上是支离破碎的（按顺序拆成一块块的，每一块都不是完整的数据段），只有第一个分片有传输层的头部。 所以说需要标志、片偏移共同维护分片标识，因为一旦重组失败了，对于传输层而言数据就是错乱的，数据分片重组在传输层是不应该感知到的。

当IP层包装好后交给链路层，分片由IP层做好后，一定满足MTU的要求，所以链路层拿着数据报，根据数据报里面的目的IP判断是否是在当前局域网。如果是的话就ARP请求对应mac地址，如果不是的话就ARP请求网关地址的mac地址。 之后mac帧被封装传输给交换机，由交换机查表、扩散转发给对应主机。

如果转发给了路由器，路由器会进行解包操作，在链路层进行校验和，如果失败就丢弃。没有失败的话继续解包到网络层，进行头部校验和，如果失败就丢弃。 路由器根据目的IP查看自己的路由表，根据最长前缀选择好下一跳。与此同时路由器会NAPT，修改所有分片的源地址和第一块分片的端口号，并将TTL -= 1，之后封装好新的目的mac后发出去。

直到目的主机上进行解包，校验和，根据标志、标识、片偏移进行重组，重组成功后就将完整的数据段交给传输层，失败的话就不做任何处理。 TCP会触发超时重传或者快重传，UDP的话就需要应用层自己维护重传机制了。

2.网段划分

这里主要是补充一些上篇文章没有提及的IP地址相关的知识，不影响整体理解。

（1）五类地址

下面是总结各类地址的表格

地址类别	首段地址范围（十进制）	网络位/主机位（IPv4共32位）	默认子网掩码	主要用途
A类	1~126（127.0.0.0为回环地址）	前8位为网络位，后24位为主机位	255.0.0.0	大型网络（如早期主干网、大型企业）
B类	128.0~191.255	前16位为网络位，后16位为主机位	255.255.0.0	中型网络（如中型企业、高校）
C类	192.0.0~223.255.255	前24位为网络位，后8位为主机位	255.255.255.0	小型网络（如家庭、小型办公室）
D类	224.0.0.0~239.255.255.255	不划分网络位与主机位	无默认子网掩码	组播（如视频会议、数据群发）
E类	240.0.0.0~255.255.255.254（255.255.255.255为广播地址）	不划分网络位与主机位	无默认子网掩码	保留地址（用于科研、实验等特殊场景，未公开商用）

我们就考虑A、B、C类地址，最开始是严格划分的，但后面引入CIDR技术后，基本都是按需分配，如按照子网掩码，/23这种表示方式来划分网络号和主机号，这样极大地提高了地址的利用率。 但这并不意味五类地址被淘汰了，而是引入CIDR进行更精细的划分，比如我用拿到了一个/7的地址块，我可以说我拿到了2块A类地址（主机数为A类地址的两倍）。

（2）回环地址

127开头的地址属于IPv4的回环地址。

也就是说整个127.0.0.0/8网段（即127.0.0.1~127.255.255.254）均为此用途，核心作用是本地设备自我测试（如程序调试、网络协议验证），数据不会发送到外部网络，仅在设备内部循环。最常用的是127.0.0.1，常用来指代本地主机。

（3）网段的特殊地址

一个子网的理论主机总数 = 2 ^ 主机号位数，但实际上是2 ^ 主机号位数 - 2，有两个特殊地址不能使用。

主机号全0用于标识整个网段，主机号全1表示在该网段上广播。主机号网络号全1表示全局广播，全0一般都是临时占位（可表示本网络上的本主机），这些地址都不会分配到一个具体的主机上。

（4）网络建设

我们想要构建子网时，家里直接买个路由器即可，路由器具备构建子网的能力。但局域网的构建运营商也在做，有可能我们路由器出去还是子网，例如家庭路由器的WAN口IP实际上还是运营商子网下的私网IP。

申请公网IP，网络建设工作，都是交给运营商来做的。所以为什么上网交钱是给运营商交钱？我们报文出了路由器后还是在运营商的子网下，我们真正想要得到公网IP需要运营商路由器NAPT之后才会得到，我们需要运营商的路由器为我们提供服务。