【Linux】网络层协议
目录
一. IP协议介绍
二. IP协议格式
三. 分片与组装
四. 网段划分
五. IP地址的数量限制
六. 私网IP地址与公网IP地址
七. 路由
一. IP协议介绍
IP 协议是TCP/IP体系中的网络层协议，TCP作为传输层协议负责传输的策略制定，但实际的传输是由网络层和链路层执行的。
我们在进行网络通信时，不是直接有从一方传输层传到另一方传输层。是由传输层进行策略制定，将数据打包给网络层，网络层确定发送终点，再打包给链路层。链路层负责寻找路由，最后找到目的地，再从链路层向上逐级解包，传输层拿到数据。
二. IP协议格式
4位版本号：IP协议的版本，是IPv4/IPv6
4位首部长度：IP报头的长度
8位服务类型：8 位服务类型通常指 8 位二进制编码的服务分类，核心用于标识不同服务场景的编码体系
16位总长度：IP报头+有效载荷 总长度
16位标识：主机发送的报文在网络层进行分片，被分片的报文带同一份标识表示是同一份报文
3位标志：第一位保留，暂时没有规定字段意义；第二段表示禁止分片，若报文长度超过MTU，IP层就会丢弃报文；第三位表示更多分片，若报文没有进行分片，则该字段设置为0，若报文进行了分片，且不是最后一片分片，该位设置为1
13位片偏移：分片数据相对于原始位置的偏移量，实际偏移量=片偏移字段值*8（字节）
8位生存时间：用于限制数据报在网络中的传播范围，防止路由器导致数据报回路无限循环
8位协议：上层的协议类型
16位首部校验和：鉴别数据报是否损坏
32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端对应IP地址
三. 分片与组装
首先我们来了解MTU，MTU是指数据链路层中，一次能够传递的最大数据帧大小，包括报头和有效载荷。在以太网中这个大小默认为1500字节。
也就是说，我们最大的单次传输大小就是1500字节，倘若我们的数据量很大超过了当前大小该怎么办。
我们可以对数据进行分片，将同一份数据切成一片一片的，通过16位标识符标记同一份数据，底层链路层再将一份一份的数据发送出去。到了对端后，网络层根据标识符和偏移量来对报文进行重新排序，组装好后再将完整报文传给传输层，这样传输层就可以实现发送和接收时都是完整的报文大小。
倘若对端在接受数据时，存在单个分片丢失，此时对端会将所有的报文都丢弃，将单个报文分成多份发送同时也增加了丢包率。所以通常情况下，网络通信中不会使用分片。
四. 网段划分
IP地址由网络号和主机号组成
网络号：标识设备所属的网络（子网）
主机号：表示该子网下的具体设备
例如IP地址 192.168.1.100 ，那么192.168.1 就是网络号，100 就是主机号
在 IP 地址后面加一个 / ，并在 / 后加一个数字，表示 IP 地址中的网络号位数。例如 192.168.1.100/24 表示前24位是网络号，后8位是主机号（一共32位）
我们在一个子网中若新增主机，就需要为其分配相应的主机号，当该主机号断开连接就需要对其端口号进行回收，便于分配主机号给后续新增主机使用。对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用 DHCP技术进行自主管理，一般的路由器都是携带DHCP功能。
如何理解网段划分？我们可以类比于送快递，快递通常都是由 省份 + 具体地址 组成，我们可以将省份地址市区地址理解为一个个子网上下级，而具体的地址可以理解为主机号。我们要将数据从一端发送到另一端，本质就是数据在一个一个排查目的地寻找目的地的过程，通过找网络号一级一级的向下，可以排除许多选项，提升效率
IP 地址通常分为5类
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
上述的这几种划分策略容易导致浪费，例如学校想申请B类，主机号占16位，但是实际一个局域网中不会出现这么多的主机，也就意味着大量的IP会被浪费。
于是我们可以在此基础上再进行子网划分（CIDR），从借用的主机号中抽出几位充当网络号，网络号位数增加，可使用的子网数量增加，主机号减少，相应的，每个子网内可用的主机号就相应减少。因此我们就可以进行按位分配使其达到平衡。
那么既然进行了借位，我们就要清楚网络号和主机号的划分界限，我们可以使用子网掩码进行划分。子网掩码是一个32位整数组成，都是0和1，1对应IP地址的网络号，0对应IP地址的主机号，我们只需要按位与就可以得到最终的网络号和主机号。
五. IP地址的数量限制
IP地址是一个4字节32位的正整数，所以IP地址的总数就是2^32，将近43亿个IP地址。但如今世界人口已经远远超出这个数，我们日常生活的网络设备，冰箱，手表可能都需要使用IP地址。因此提出了几种方法来应对。
CIDR：减少主机号浪费，但没有提升IP地址的上限
动态分配IP地址：根据实时的使用情况动态分配IP地址，提高利用率
NAT技术：让不同的局域网中，存在相同的IP地址
Ipv6：将32位字节升级为128位，提高了IP地址的上限，但是目前IPv4与IPv6互不兼容，暂未广泛普及
六. 私网IP地址与公网IP地址
公网IP和私网IP的区别在于能否被互联网直接访问。公网地址是全球唯一的IP地址，任何互联网设备都能找到连接它，私网地址存在于局域网内部。私网地址想要访问公网地址，需要使用NAT技术，将私网地址给路由器，路由器分配一个公网地址才能进行访问。而公网地址想要访问私网地址，需要通过路由器端口映射进行间接访问
在理解私网和公网之前，我们得先理解路由器。路由器上有两种接口，一种是LAN口，一种是WAN口。
LAN口是连接局域网的接口，WAN口是连接外部广域网的接口。我们的手机连接网络，路由器给我们分配一个私网IP，我们发送信息，首先数据从LAN口进入到路由器，路由器存在一个公网IP地址，用路由器的公网IP地址传到对端的路由器WAN口，由WAN口转化成LAN口送到对端。两台不同局域网的主机若想通信，必须通过公网进行传递。
每一台路由器都有一个公网IP，这个IP是由运营商分配的。不同的私网之间，IP地址可以重复，但是相同的私网内IP地址不能重复。因为私网无法直接对公网进行访问，所以在私网内IP地址可以是任意的。
七. 路由
路由器是底部数据传输的一个一个节点，数据从路由器开始向目的IP进行传输，此时数据是不知道该往哪个方向走的，所以需要不断的进行“问路”。每当一份新的数据到路由器时，首先会查询路由表，路由表会记录缓存，该IP的数据通常会往哪台路由器发送。若路由表没有相关记录，就会走默认路径，直到找到对应的主机
相关的路由细节我们放到下面的链路层进行详细讲解