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[网络协议]网络层的IP

一、IP是什么

百度百科：IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。IP根据端到端的设计原则，只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。

二、IP的作用

在了解IP的作用之前，我们先来简单回顾一下它上层应用层HTTP和传输层TCP的作用，简单来讲：

HTTP解决的是构建与解析request和response，同时还要能调用下层TCP提供的接口进行recv和send。

TCP解决的是可靠性、效率问题，及何时发送(发送方要不要把发送缓冲区的数据清空出去，对方要不要接收)？怎么发(向下层交付)？发多少(流量控制、拥塞控制)的问题。

在这里插入图片描述

IP则要负责通过路径选择把数据包送达到对方主机，及进行主机和主机之间的通信。在互联网世界中，将那些配有IP地址而不进行路由控制的设备叫做主机。将既配有IP地址又能进行路由控制的设备叫做路由器。节点是主机和路由器的统称。

IP给数据双方提供了一种能力，即将数据从主机A跨网络送到主机B的能力。

三、IP格式框架

1. 两个问题的解决

思考两个问题：
1.如何将报头和有效载荷分离的问题
2.如何将有效载荷交付给上层协议的问题

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1.解决如何将报头和有效载荷分离的问题：此处的4位首部长度所代表的含义和TCP中“4位首部长度”所代表的含义相同，所能表示的字节范围为20字节到60字节，默认表示为二进制的0101，即5 * 4字节即20字节。不像TCP，IP的报头中具有“16位总长度”这一字段，这样一来便可以用16位总长度-4位首部长度，差即为数据长度。

2.解决如何将有效载荷交付给上层协议的问题：在IP报头中，有一个字段叫“8位协议”，这个字段便记录了要将IP交给传输层的TCP或是UDP。值得一提的是ICMP也是网络层的一个协议，但它属于IP的上层，因为IP也有可能交付给ICMP，在此并不作过多介绍。

2. IP报头字段的解释

4位版本号：制定IP协议的版本，对于IPV4来说，就是4。一般来说，IPV4和IPV6实际上不兼容。

4位首部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就是length * 4的字节数，4bit表示的最大数字为15，因为IP头部的最大长度是60字节，首部长度一般填0101。首部长度往往要完成以下两个问题，第一个问题是要配合16位总长度完成报文的报头和有效载荷分离的问题，第二个要做到将自己的有效载荷交付到上层哪个协议的问题（如TCP和UDP）。

8位服务类型（Type Of Service）：3位有效权字段（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（字节数Total Length）：IP报文分组整体所占的字节数，可用于计算有效载荷的长度。

8位生存时间（TTL）：一个报文经过路由器的跳数。TTL必须要设置，否则网络当中可能会出现短期内无法消散的游离报文。比如传输数据陷入死循环，假设A要传给B，B要传给C，C要传给A，此时需要TTL，假设TTL为10，当A传给B时，TTL减1，B传给C时，TTL再减1，依次同理。当TTL减为0时，数据包传输停止，避免了死循环。

8位协议：决定数据报向上交付的对象(如TCP和UDP)。

16位首部检验和：首部检验和，只检验4位首部长度。

32位源IP地址：IP地址的构成是分为两部分的，一部分称为网络号，另一部分称为主机号。发送方的IP地址叫做源IP地址。

32位目的IP地址：IP地址的构成是分为两部分的，一部分称为网络号，另一部分称为主机号。接收的IP地址叫做目的IP地址。

3位标志字段：第一位保留(保留的意思是现在不用)。第二位置为1表示禁止分片，此时如果报文长度超过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，同一组最后一个分片置为1，其他分片置为0，类似于一个结束标志。

16位标识：唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文在链路层被分片了，那么每一个片里面的这个ID都是相同的。

13位分片偏移:是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是在标识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)。

四、 IP分片与重组

1. IP分片

1.IP为什么会分片

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链路层MAC地址在数据包转发过程中有最大长度限制，所以上层的IP报文向下层MAC帧交付的时候，如果超过了MTU(1500字节)，IP就要自行分片。

MAC帧所接收到的报文最大长度为1500字节，这其中包含了IP报头及IP最大的有效载荷，因为IP标准报头长度为20字节，所以IP的有效载荷为1480字节。同时，IP的有效载荷是由上层的TCP/UDP传输的，TCP标准报头长度为20字节，则TCP的有效载荷为1480-20=1460字节。

2. 分片细节

已知MAC帧一次所能接收最大报文长度为1500字节，假如现在IP要给他3000字节，那么应该分成几片呢？

我们的第一直觉是分成两片：
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因为要分成两片，每个分片都要携带一个IP报头，一个报头20字节，经过计算可知，这样一来最终所携带的有效载荷为2960字节，与我们实际上想要传输的2980字节是不相符的，由此可见分成两片是错误的选择。

答案是分成三片。前两片依旧是20 + 1480，第三片为20 + 20。

2. IP重组

1. 为什么要重组

当传输层的TCP把报文交付给IP时，它是只交付一个报文的，至于IP如何处理报文，TCP是不关心的。当报文在接收方的网络层由IP向上交付给TCP时，需要对由链路层MAC帧传输的报文进行组装，最终只传输给TCP一个完整的报文。

2. 重组细节

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我们先来确认报文是否分片：实际上，只要分片了，除了第一个报文，其他所有报文的起始偏移量都不为0，即“13位片偏移”非0，所以只要“13位片偏移”不为0，即认为它是一个分片。第一个分片的3位标识中第三位“更多分片”一定为1，可以据此判断它是一个分片。

不同的客户端同时向服务器发送大量报文，这些报文中既有分片的又有未分片的，由于我们传输给服务器的应该是一个完整的报文，所以未分片的报文可以直接传输给服务器，分片了的报文需要按照连续的序号进行组装后交付给服务器。IP报头的3位标识确认报文是否分片，16位标识对分片后的报文进行分组，但是只能确定分片是否属于同一组。当同一组的分片放在一起后，需要对其进行组装，13位片偏移给予了每个分片属于它们的序号，比如一段1000字节的报文分成三片，序号分别为0-299，300-599，600-899，这时按照序号大小即可把他们组装到一起。我们如何知道组装结束了呢？在属于同一组的分片，最后一个分片的3位标志的第三位应为1，其他分片最后一位为0。

假如将一个报文分成三片发送给接收方，作为接收方来讲，收到了三个分片。实际上在接收方再接收分片的同时，也在接收未分片的报文，所以首先我们应该对分片报文和未分片报文进行分类，其次应该把同一组的分片进行组装。IP报头中“3位标志”字段和“16位标识”可以解决这两个个问题。
“3位标志”其中的一个标志位可以对报文是否分片进行标识。“16位标识”可以对同一组的分片进行归类。
13位片偏移是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是在标识当前分片在原报文中处在哪个位置。

分片并不好，因为任何一个分片丢失，TCP都需要将全部数据进行重传。

五、网段划分

1. IP地址

IP地址分为两部分，网络号和主机号。
例：
IP地址：192.168.128.10
网络号：192.168.128
主机号：10

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
主机号：统一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

网段就是从一个IP到另一个IP段。好比从192.168.128.1到192.168.128.255之间就是一个网段。 IP地址是一个4字节（共32bit）的数字，被分为4段，每段8位，段与段之间用句点分隔。

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不同局域网的网段一定是不同的，但是不同局域网中主机号是可以相同的。如果在局域网中添加一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号不能和局域网内其他主机重复。新添加的主机的IP地址往往由路由器分配，路由器自动给新增主机节点分配IP地址的技术叫做DHCP，DHCP隶属于应用层，从中我们能看出路由器强大的功能性。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。

2. IP地址的分类方法

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A类：0.0.0.0到127.255.255.255
B类：28.0.0.0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。

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3. 特殊的IP地址

将IP地址中的主机号全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网。
将IP地址中的主机号全部设为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。
0.0.0.0：代表本地所有的网卡地址。
255.255.255.255：UDP的广播地址，全网广播，DHCP。

4. 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:

NAT：通过将私有IP地址转换为公有IP地址，实现私有网络访问公共网络的功能。
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。
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。

5. 私有IP地址与公网IP地址

公网IP全网内只有一个，私有IP在不同的局域网中可能会出现重复，私有IP不能出现在公网当中。
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运营商为我们提供了网络服务，大家可以想一想，我们每天访问各种APP，我们并不向APP缴纳费用，但是我们每个月都要交话费，即把钱交给中国移动、中国联通、中国电信。可能有的人会说，我们交的只是话费啊，使用其他语音软件一样可以打电话，但是，如果不缴纳话费，那么我们就不能访问网络，无法使用语音软件，因为我们所发出的网络请求一定是要通过运营商传输到网络应用的。

如图，假如我们的源IP地址为192.168.1.200，目的IP地址为122.77.241.3；那么返回的时候，源IP地址应为122.77.241.3，目的IP地址应为192.168.1.200，这样对不对呢？答案是不对的。因为公网IP全网内只有一个，私有IP在不同的局域网中可能会出现重复，私有IP不能出现在公网当中。

真正的传输返回过程应该是这样：

传输时，我们不能直接使用我们的局域网IP即192.168.1.200了，应该用家用路由器WAN口IP代替，即用10.1.1.3代替我们的192.168.1.200；第二步，家用路由器找到运营商路由器，运营商路由器的WAN口IP代替家用路由器WAN口IP，即用122.77.241.4代替10.1.1.3，我们的目的地址122.77.241.3不发生变化，此时我们发送的数据包便通过公网传输给最终的服务器。
返回时，需要运营商服务器建立映射表才能返回到我们最初的源IP地址。此处的映射表最重要的是使用IP地址加端口号，因为IP地址加端口号可以找到唯一一个进程。

两个结论：
1.所有的网络请求都要经过运营商中转才能到最终的服务器。
2.所有数据请求都要经过不断的NAT地址转换才能到最终的服务器。

一些知识点：

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。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。

六、路由

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。

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多跳路由是指路由器或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机，而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间（跳）在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作，直至包达到最终的目标地址。

举个例子：
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在前面的例子中，虽然已经确定了最终的目标车站，但是一开始还是不知道如何换乘才能到达这个终极目标地址。

因此，工作人员给出的方法是首先去往最近的一个车站，再咨询这一车站的工作人员。而到了这个车站以后再询问工作人员如何才能达到最终的目标地址时，仍然得到同样的建议：乘坐某某线列车到某某车站以后再询问那里的工作人员。于是，该乘客就按照每一个车站工作人员的指示，到达下一车站以后再继续询问车站的工作人员，得到类似的建议。因此，即使乘客不知道其最终目的地的方向也没有关系。可以通过每到一个车站咨询工作人员的这种极其偶然（英文叫做“Ad Hoc”，是指具有偶然性的、在各跳之间无计划传输的意思。尤其在谈到IP时经常会用到该词。）的方法继续前进，也可以到达最终的目标地址。

IP数据包的传输亦是如此。可以将旅行者看做IP数据包，将车站和工作人员看做路由器。当某个IP包到达路由器时，路由器首先查找其目标地址（IP包被转发到途中的某个路由器时，实际上是装入数据链路层的数据帧以后再被送出。以以太网为例，目标MAC地址就是下一个路由器的MAC地址）从而再决定下一步应该将这个包发往哪个路由器，然后将包发送过去。当这个IP包到达那个路由器以后，会再次经历查找下一目标地址的过程，并由该路由器转发给下一个被找到的路由器。这个过程可能会反复多次，直到找到最终的目标地址将数据包发送给这个节点。