Linux网络基础 — 网络层

2023-10-26

IP协议

IP协议报头格式

网段划分

网络层

在复杂的环境中确定一个合适的路径。

IP协议

ip具有将数据从主机A 跨网络送到主机B 的能力。

主机: 配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。

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。

IP协议报头格式

我们看上图，会发现它跟TCP的报头很像，像一个模子里刻出来的，所以我们通常称他们为TCP/IP。

完整的报头注释：

4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.

4位头部长度(header length): IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60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.

16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文因为数据链路层的规定而导致被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.

3位标志字段: 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(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).

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

8位协议: 表示上层协议的类型

16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.

32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端.

选项字段(不定长, 最多40字节): 略

如何将报头和有效载荷分离？

在IP报头中有4位首部长度，代表的是报头的大小，基本单位是4字节，标准报头是20字节，最大是60字节，所以这里按标准报文填写二进制是0101，最大是1111。
那么光有报头的长度还不够，所以报头里还有一个16位总长度，它表示的是报文的总长度，用总长度减去报头的长度，得到的就是有效载荷的长度了，到这里我们就可以将报头和有效载荷分离了。

如何向上交付？

把报头和有效载荷分离之后，我们怎么知道要将有效载荷交付给上层那个协议呢？报头里有一个字段是八位协议，他表示的是上层的协议类型，有了这个我们就可以向上交付了。

解决了上面两个问题之后，我们再看看其他的字段。

16位首部检验和：它是对整个报头进行检验的，如果检验不通过，检验的主机会直接把该报文丢弃，丢弃了不要紧，发送方会进行超时重传的，这个重传不是IP做的，而是发送方主机的上层协议做的。
8位生存时间：现有的网络环境是非常复杂的，没有任何人能保证网络不会出现问题，在我们进行数据转发的过程中因为一些原因导致对方主机不可达，或者出现环形转发的现象，节点路由器要有丢弃数据的能力，否则该数据报文会一直在网络中跳转，导致网络资源被浪费。这个8位生存时间表示数据报到达目的地的最大报文跳数，每进行一次跳转就减1，为0时还没到目的地就会被丢弃。
32位源IP地址和32位目的IP地址：发送端主机和接收端主机的IP，这个目的地址很重要，没有这个数据就不知道要往哪个主机发送，也就没办法发送了。
4位版本：指的是IP的协议版本，一般来说都是IPv4，因为IPv4和 IPv6不兼容，不能直接平替，所以一般都是IPv4。

网段划分

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。

也就是说不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。如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。

那么问题来了，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情。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。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。

一般在一个子网中，管理子网中IP的的设备通常是路由器。

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])。

他这个是按照前8位进行划分得来的

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。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。

我们之前说过管理子网中IP的设备通常是路由器，那么目标网络和子网掩码、子网中的主机都会被路由器管理！目标网络和子网掩码是在路由器内配置的。

以例子2做演示：将IP地址和子网掩码做 "按位与" （按位与是两个二进制位都为1，结果为1）。

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。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。

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。

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。也就是说打开网络时给你分配IP地址，关闭网络就将你的IP回收。

NAT技术：表示地址转化技术，下篇文章会详细的讲。

IPv6： IPv6并不是IPv4的简单升级版，这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容。 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。

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。

包含在这三个范围中的，都成为私有IP(内网IP)，其余的则称为全局IP(或公网IP)。我们之前所说的IP具有唯一性指的就是公网IP。

路由器的功能有三个：1.对数据进行转发，2. DHCP | 组建局域网 3. NAT

路由器是通过前面三个内网IP组建的局域网，家用路由器一般都是用192.168这个内网IP，而企业级路由器则一般用另外两个。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)。也就是说一个路由器的WAN口IP对应上层路由器的子网IP，LAN口IP对应下层子网IP如路由器或主机的IP，相当于是一个家用路由器的子网中有多个主机，一个运营商路由器的子网中有多个家用路由器。在运营商路由器的子网中这些家用路由器就相当于是主机，然后层层嵌套在一起。

        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)，一个子网内的主机IP地址不能重复，但是两个子网之间的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，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地址成为一个公网IP。这种技术称为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。

路由

路由就是在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

路由就像是在以前没有导航的年代问路一样，比如你要去某一个地方，你找到一个路人，你问XXX怎么走，他此时会有两种情况：1.我不知道怎么走，你问问下一个人吧，2.我知道怎么走，你先去这再去那...就到了。路由也差不多，数据报到一个路由器，这个路由器有两种情况：1.我不知道这个目的IP是哪里，我把你转给下一个路由器，你问问它吧，2.我知道这个目的IP，他在哪哪哪，你去找它吧，该路由器就直接把你转给那个目标路由器了。

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， windows可以用 route print 查看

路由表的Destination是目的网络地址，

Gateway是下一跳地址，

Genmask是子网掩码，

Iface是发送接口，

Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，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。

核心字段就这几个，其他的暂时不用管。

目的网络中的default代表默认，而它这行里面有G 所以这行代表默认网关。

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(我的是第一行)，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。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

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;

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；

补充

因为 IP协议报头第二行字段是可以和上面的内容分开的，所以这部分放到这来说。I

P协议是在网络层，下一层还有数据链路层，是MAC帧协议，协议规定有效载荷一般不能超过1500字节(MTU，是可以修改的)。那么问题来了，IP 能决定单个报文的大小吗？答案是当然不行，因为IP 上层还有一个传输层，TCP又叫传输控制协议，所以单个报文的大小是由TCP控制的。这几层之间相互是有影响的，不是各自独立的。

举个例子：TCP说我要发送一个3000字节的报文，MAC帧协议说我最多只能发1500字节，多了搞不了，IP夹在中间两头为难，那没办法呀，所以IP就实现了一个功能叫分片与组装。这里注意：IP的分片与组装不是主流情况！因为分片不可能每次都能组装完好，这代表会有概率出现问题，所以大部分情况不会分片，但架不住有特殊情况。

这三个字段是用来支撑分片与组装的，分片与组装是IP自己独立完成的，由发送端进行分片，接收端进行组装。而 TCP 和MAC帧并不关心你 IP是否进行了分片与组装，你只要给我的数据是按我规定的标准给的且没有问题就行，其他的内容并不关心。

那么如何分片？如何组装？

首先需要考虑几个问题：

一是你怎么知道报文被分片了？

二是对端主机组装的问题，不能随便分片。也就是说同一个报文的分片要有标识，要能被识别出来这些分片是同一个报文的。

三是要能分辨哪个是第一个，哪个是最后一个，有没有收全，有没有丢失分片的情况。

四是在收全的情况下，我们只知道第一个和最后一个，中间的分片怎么排列，如何正确的组装。

五是怎么保证合起来的报文是正确的。

先看第二行的第一个字段：

16位标识：该标识表示主机发送报文的唯一性，如果被分片了，那么每个分片里的标识都是一样的。

这里就可以很好的回答第二个问题，假如报文被分片了，收到几个相同的16位标识的分片，那么就说明这几个属于同一个报文。

三位标志：第一位保留表示暂时不用，第二位为1表示禁止分片，一般用于路由器过滤大报文的，就是说报文长度超过限定值，就会直接将该报文丢弃，第二位一般是设置为0的，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，也就是说它是表示我后面还有没有分片了，如果为1证明还有，如果为0证明没有了。

我们要知道的是分片不仅仅是将报文按固定大小分片就完事了，还要给每个分片加上IP报头，这样每个分片都是一个独立的IP报文，组装只是将多余的IP报头解析之后丢掉。如果没有分片，那么IP报头里这三个标志位，最后一个标志是设为0的。就像字符串的末尾是 '\0'一样。

13位片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原始报文中的位置。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)。

那么此时就可以回答上面的问题了。

第一个问题：怎么知道报文被分片了？1.三位标志位中最后一位 “更多分片” 为1，就证明该标识的报文分片了。那么此时会有一个问题：如果只收到最后一个分片，其他的分片都没收到丢失了，怎么确定这是一个分片呢? 2. 如果更多分片的标志位是0，并且13位片偏移 > 0，两个条件都满足，那么说明这是一个分片，否则就不是。

第三个问题：前提是已经分片了，那么第一个分片就是，更多分片的标志位是1，且片偏移是0，最后一个分片是，更多分片的标志位是0，且片偏移 > 0，如何验证分片有没有收全，我们先放一放。

第四个问题：假设已经收全，如何正确的组装呢？只需要按片偏移进行升序排列组装即可！组装时从0开始，按当前起始位置 + 自身长度 = 下个报文中填充的偏移量大小，如果下一个报文的偏移量对不上，说明可能有分片丢失了，或者没收全。那么有没有收全的问题就解决了。

第五个问题：怎么保证组装后是正确的？不用担心，TCP/IP有检验和，如果检验出现问题，会直接丢掉。

分片好不好呢？答案是非常不好，前面也说过这不是主流情况。

那分片对TCP和UDP包括IP本身有什么影响？

一个报文被拆分成了多个，任意一个报文分片丢失，就会造成拼接组装失败，进而导致对端对整个报文进行重传。那么有人会说只是一个分片丢失了，重传一个分片就好了。我们要知道，IP是没有重传能力的，而TCP不关心IP有没有分片，也就是说TCP不知道IP的那个分片丢失了，那怎么重传分片呢？其次组装不成功，检验和通不过就会被丢弃，就相当于是丢包了。一个报文传输的成功率并不是100%，一个报文被分成几片，那么传输成功率就会被降低。丢报的概率高了，需要重传的次数就会增多，传输效率也会被降低，这就是影响。

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