Linux--网络层 IP协议

本文主要是介绍Linux--网络层 IP协议，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

0.往期文章

Linux--传输层协议TCP-CSDN博客

Linux--传输层协议UDP-CSDN博客

Linux--应用层协议HTTP协议（http服务器构建）-CSDN博客

1.IP基本概念

寻址：IP协议为网络上的每个设备分配一个唯一的IP地址，这个地址用于标识设备在网络中的位置。IP地址可以是IPv4（32位）或IPv6（128位）格式，IPv6是为了解决IPv4地址空间耗尽问题而设计的。
路由：IP协议定义了数据包如何在网络中从源地址传输到目的地址。数据包在传输过程中可能会经过多个路由器，每个路由器都会根据IP地址和路由表来决定数据包下一步应该发送到哪个网络。

IP的意义：IP地址提供了一种“能力”，将数据从一台主机发送到另一台主机的能力。传输层提供的是“策略”，IP协议不再考虑可靠性，这是上层该考虑的事情

主机: 配有 IP 地址；
路由器: 即配有 IP 地址, 又能进行路由控制;
节点: 主机和路由器的统称;

2. IP协议报头格式

IP报文的数据部分包括，应用层报头，传输层报头和真实的数据。

IP首部5-15（即20-60字节）。普通IP数据报（不含选项字段）的值为5，即20字节。

单位：首部长度字段以32位字（即4字节）为单位进行表示。这意味着，如果首部长度为5，则实际表示的是20字节（5 * 4 = 20）。
范围：IP首部的最小长度是20字节（没有选项字段时），最大长度是60字节（包含最大长度的选项字段时）。因此，首部长度字段的值范围从5（表示20字节的首部）到15（表示60字节的首部）。
8 位协议: 表示上层协议的类型
分离和分用：依照IP协议首部的长度划分就能有效的将报头，选项，数据三方分离；从传输层交给网络层时，IP的8位协议字段会标识是传输层的什么协议交付的，到达对方主机的时候，也可以按照IP的8位协议字段向上进行交付，实现分用
4 位版本号(version): 指定 IP 协议的版本, 对于 IPv4 来说, 就是 4；
32 位源地址和 32 位目标地址：表示发送端和接收端.
由于IPv4地址是32位的，因此它可以提供大约43亿（2^32）个不同的地址。然而，随着互联网的迅速发展，IPv4地址资源已经逐渐枯竭。为了解决这个问题，人们开发了IPv6协议，它使用128位的地址空间，大大增加了可用的地址数量。
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（报头，选项和数据）
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
6 位头部校验和: 使用 CRC 进行校验, 来鉴别头部是否损坏.

3.网段划分

两种网段划分的方式

首先IP是有用且有限的资源，我们需要对IP进行合理的划分，来交给不同的区域。网络是被精心设计过的，从硬件到软件。

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;
在两个子网中存在一个设备：路由器。路由器至少横跨两个子网，对于上面子网来说，路由器是我内部的一个设备，对下面子网来说，同样如此，因此路由器要配两个网卡，也要配两种IP。路由器是我们整个子网当中的第一台主机，想要上网，必须先开路由器，所以它的主机标识一般为1。

        不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。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。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，当然你可以手动的设置主机的IP，但这是非常麻烦的。

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.
路由器不仅有路由功能，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，可以构建子网

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[TCPIP])。

（如：A类第一个比特位为0）

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，以一串“1”开头;控制多少位是网络号，多少位是主机号，提升IP地址的使用率
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；

计算示例：与子网掩码按位与后，只剩下4位可以使用，后四位中全0表示网络号，全1表示广播地址，所以该子网内只能存在14台主机

网络号部分：子网掩码中所有为1的位都表示网络号。网络号的位数决定了可以划分的子网数量以及每个子网能够包含的主机数量。
主机号部分：子网掩码中所有为0的位都表示主机号。主机号的位数决定了每个子网中可以分配的最大主机数量（但需要减去网络地址和广播地址）

        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

为什么要进行网段划分

        经过精心的设计，合理的划分，可以高效支未来的报文路径查找，大大提高查找目标主机的效率：将网络划分为多个子网后，每个子网内部的通信不需要经过路由器（在广播域内），这样可以减少路由器上需要维护的路由表项数量。对于需要跨子网通信的报文，由于网络结构更加清晰，路由表项也会更加简洁明了。

IP地址有效利用：将有限的IP地址资源分配到更小的网络段中，以容纳更多的设备。

提高安全性：通过划分不同的网络段，可以限制网络攻击或病毒传播的范围，保护整个网络系统的安全。

优化性能，提高效率（最主要的）：在大型网络中，广播流量会占用大量的网络资源，影响网络性能。通过子网划分，可以限制广播流量的传播范围，只在子网内部进行广播，从而减少不必要的广播流量，提高网络的整体性能。

简化管理：将复杂的网络结构划分为更小的、更易于管理的部分，降低管理难度。

4.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

5.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（子网掩码）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;

6.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
172.16.*到 172.31.*,前 12 位是网络号,共 1,048,576 个地址
192.168.*,前 16 位是网络号,共 65,536 个地址

        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);IP标识网络中主机的唯一性，指的是公网IP；私有IP不能出现在公网中，因为在不同私网中的私有IP允许相同。虽然存在公网，但是我们上网，都必须接入指定的一个私网中。我们所有人，都在各自的私网（内网）中！

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).路由器能构建子网（私网）
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（运营商也有自己的路由器，也要构建大的子网）. 这样的运营商路由器（对内接入内网，对外接入真正的公网，该路由器称为出入口路由器）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.
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

NAT技术

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).
NAT技术例子：每台主机都有自己网络层，每台主机也知道自己的子网IP，（以上图为例）比如主机（src）IP：192.168.1.201 要向IP（dst）：122.77.241.3的主机发送消息。该主机会通过CIDR得到网络号：122.77.241.0，发现不是自己网段的，这时就会交给家用路由器处理，家用路由器也有自己WAN口IP，路由器直连的网络号为：10.1.1.0，这是运营商构建的子网，家用路由器会将srcIP，替换成为自己的WAN口IP（NAT），家用路由器交给运营商路由器，运营商发现dstIP不属于自己构建的子网，只能将该报文交给出入口路由器接入公网，此时路由器会进一步将srcIP替换成自己的WAN口IP（NAT），直接通过公网交给目标服务器。这样目标服务器有了出入口路由器的公网IP，就能顺利的应答了。

认识公网

        在国家层面，各国通常会根据自己的需求和发展规划，向ICANN或其下属的RIRs申请IP地址资源。这些资源会被分配给国内的互联网服务提供商（ISP）、大型企业和政府机构等，以支持其网络建设和运营。

        国际路由器是连接不同国家和地区网络的关键设备。它们负责在国际互联网上转发数据包，实现全球范围内的网络通信。

        在国际互联网中，路由器扮演着至关重要的角色。它们通过路由协议（如BGP）与其他路由器交换路由信息，建立和维护路由表（记录着每个国家的网络号，子网掩码，这样就能通过公网进行国家间的网络通信），从而确定数据包的最佳传输路径。当数据包从一个网络传输到另一个网络时，路由器会根据路由表中的信息，将数据包转发到下一个网络节点，直到最终到达目的地址。

以中国为例，接下来就是要将公网资源分配给各个省份，使用路由器进行互联，接下来就是各市，各地区......就算这样划分下来，每个市大概只有2^16台主机，这是远远不够的，接下来就由运营商构建子网，我们每个人就是不同的子网下进行上网。

运营商扮演的角色

一、基础设施建设与维护

拉网线与建立基础设施：运营商会在每家每户中拉网线，建立网络基础设施，这是网民能够上网的基础条件。这些基础设施包括光缆、基站、交换机、路由器等，它们共同构成了互联网的物理骨架。（先有这些基础设施的建设，才有今天的网络用户，才有更多的互联网公司）
网络维护：运营商负责网络的日常维护，确保网络的稳定性和可靠性。这包括故障排查、设备升级、网络优化等工作，以保障用户能够顺畅地访问互联网。

二、IP地址分配与管理

私有IP地址分配：虽然私有IP地址的分配主要由网络管理员在局域网内自行完成，但运营商在提供网络服务时，也会为用户提供一定的私有IP地址资源。这些地址资源通常是通过DHCP（动态主机配置协议）等方式自动分配给用户的。
公网IP地址分配：对于需要从互联网访问的设备或服务，运营商会分配公网IP地址。这些地址是全球唯一的，可以确保设备或服务能够被外部用户访问。运营商会根据用户的需求和申请，为其分配相应的公网IP地址资源。

三、NAT（网络地址转换）技术的应用

私有IP到公网IP的转换：由于私有IP地址不能直接在互联网上访问，运营商通常会使用NAT技术将私有IP地址转换为公网IP地址。这样，内部网络中的设备就可以通过共享一个或少数几个公网IP地址来访问互联网。NAT技术不仅解决了IP地址匮乏的问题，还提高了网络的安全性。

四、网络安全与防护

安全防护措施：运营商会采取一系列的安全防护措施来保障网络的安全。这包括防火墙、入侵检测系统、反病毒软件等安全设备的部署和配置，以及安全策略的制定和执行。通过这些措施，运营商可以有效地防止网络攻击和恶意软件的入侵。

        中国之所以能够拥有众多出名的互联网公司，得益于政府的政策支持、市场需求与人口红利以及运营商的基础设施建设与合作共赢等多方面因素的共同作用。这些因素相互促进、相互依存，共同推动了中国互联网产业的快速发展和壮大。

7.路由

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线
路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) "问路" 的过程.
所谓 "一跳" 就是数据链路层中的一个区间. 具体在以太网中指从源 MAC 地址到目的
MAC 地址之间的帧传输区间

IP 数据包的传输过程也和问路一样.

当 IP 数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的 IP;
路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;
依次反复, 一直到达目标 IP 地址;

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表;

路由表可以使用 route 命令查看
如果目的 IP 命中了路由表, 就直接转发即可;
路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

        每台连接网络的设备都有路由表，使用route命令就可以查看该设备的网络接口配置和路由表：

这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到 192.168.10.0/24 网络,另一个网络接口连到 192.168.56.0/24 网络;
路由表的 Destination 是目的网络地址,Genmask 是子网掩码,Gateway 是下一跳址,Iface 是发送接口（使用命令ifconfig就能查看到了eth开头的一般是网卡接口（配有内网IP的接口，收发消息的接口），lo表示本地环回（配有IP127.0.0.1））,Flags 中的 U 标志表示此条目有效(可以禁用某些条目/表示于本主机的eth接口是直连的，不用进行转发),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有 G 标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

转发过程例 1: 如果要发送的数据包的目的地址是 192.168.56.3
        跟第一行的子网掩码做与运算得到 192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符；再跟第二行的子网掩码做与运算得到 192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从 eth1 接口发送出去;由于 192.168.56.0/24 正是与 eth1 接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发;
转发过程例 2: 如果要发送的数据包的目的地址是 202.10.1.2
        依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配;按缺省路由条目, 从 eth0 接口发出去, 发往192.168.10.1 路由器;由 192.168.10.1 路由器根据它的路由表决定下一跳地址;

8.16位标识，3为标志和13位片偏移（分片与组装）

        在网络通信中，不同的网络层和网络设备可能具有不同的MTU值。例如，以太网的MTU通常是1500字节。

这1500个字节里，网络层是占有很少一部分的，最主要的是来自传输层的数据，如果传输层一次给了超过1500字节（MTU的限制）的数据，那么它就需要在发送前被分片成多个较小的数据包进行传输，然后在接收端重新组装。分片和组装的操作是网络层完成的，这个过程会增加网络传输的复杂性和开销，因为每个分片都需要被单独处理，并且接收端需要额外的逻辑来重新组装这些分片。

1.在网络世界里只有IP报文（不管你上层是TCP报文，还是UDP报文，只有双方主机才知道）

2.传输一次数据本来只要一条IP报文，但由于MUT的限制，一条IP报文要被分为多条，那如果有一条IP报文丢失了，对方的网络层是不能将数据交给传输层的，这时传输层长时间不应答，就会触发超时重传。也就是说一片IP报文丢失了，等于整个IP报文丢失了，这样说来，分片过多一定会增加丢包的概率。（虽然要谈分片，但这并不是网络转发的主流，所以尽可能不要进行分片，所以TCP协议中存在MSS，这样就能有效的减少分片，降低丢包的概率。所以如何做到不分片是对方的传输层决定的，网络层只是做分片的工作）

如何分片？如何组装

1.如何区分，收到的报文是否进行了分片？

16位标识：一个16位的值，用于唯一标识原始数据包。所有分片都将具有相同的标识值。

        3位标志：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：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)

只要更多分片==1或者片偏移>0，该报文就被分片了；如果更多分片==0 并且片偏移为0就是没分片。
进行分片后，每一个分片都要添加报头（拷贝自原始的报头），有了报头才有上面的三个字段，才能清除哪些报文进行了分片，怎么才能组成一个完整的报文

2.如何保证分片的偏移接收全了？

找不到偏移量为0的（没有前面部分），找不到更多分片==0的（没有后面部分），中间部分：将收到的片报文进行排序，因为第一分片的偏移量+自己的长度（除去报头：1500-20）=下一个分片的偏移量，如果没有对应的偏移量，那么就证明丢失了，而且丢失了哪一片也能知道。

3.如何组装？

将所有收到的片报文按偏移量进行排序，就能按序组装了。