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标题: 【网络】网络层协议-IP协议 [打印本页]
作者: 道家人    时间: 2024-8-26 01:50
标题: 【网络】网络层协议-IP协议
网络层协议-IP协议   
  
IP协议

我们之前在学习传输层协议Tcp协议的时间说过：Tcp协议保证数据传输的可靠性，而网络层协议IP协议在数据传输中饰演什么角色呢？
1.网络层 & IP协议基本概念


这种在网络环境中确定路径的举动被称为“路由”，所以网络层在数据传输的过程中提供让数据找到对方主机的一种能力，而传输层+网络层，即TCP协议+IP协议一起确保了数据可以或许可靠地发送给对端主机。

我们都见过IP地点，假设IP地点为 123.122.122.4 ，其实IP地点是由两部门构成的，即IP=目的子网+目的主机。对于这个IP地点来说，目的子网就是 123.122.122.0，目的主机就是 4，其实这样也很好理解，假设你要去 外地城市旅游，你一定是先乘坐某一种交通工具到达目的城市，然后再到达目的景点。
主机和路由器

2.IP协议格式


2.1报头各字段简介


IP报头在内核当中本质就是一个位段范例，给数据封装IP报头时，实际上就是用该位段范例定义一个变量，然后填充IP报头当中的各个属性字段，最后将这个IP报头拷贝到数据的首部，至此便完成了IP报头的封装。
2.2IP如何将报头与有用载荷举行分离？

与TCP雷同，当IP获取到一个报文后，固然IP不知道报头的具体长度，但IP报文的前20个字节是IP的基本报头，并且这20字节当中涵盖4位首部长度。
因此IP是这样分离报头与有用载荷的：
   须要注意的是，IP报头当中的4位首部长度描述的基本单元与TCP报头当中的4位首部长度一样，都是以4字节为单元举行描述的，这也恰恰是报文的宽度。
  4位二进制的取值范围是0000 ~ 1111，因此IP报头的最大长度为15 × 4 = 60 15\times 4=6015×4=60字节，因为基本报头的长度是20字节，所以IP报头中选项字段的长度最多是40字节。
  如果IP报头当中不携带选项字段，那么IP报头的长度就是20字节，此时报头当中的4位首部长度字段所填的值就是20 ÷ 4 = 5，即0101。
  2.3IP如何决定将有用载荷交付给上层的哪一个协议？

基于IP协议的传输层协议不止一种，因此当IP从底层获取到一个报文并对其举行解包后，IP须要知道应该将分离后得到的有用载荷交付给上层的哪一个协议。
在IP报头当中有一个字段叫做8位协议，该字段表示的就是上层协议的范例，IP就是根据该字段判定应该将分离出来的有用载荷交付给上层的哪一个协议的。该字段是发送方的IP层从上层传输层获取到数据后填充的，比如是上层TCP交给IP层的数据，那么该数据在封装IP报头时的8位协议填充的就是TCP对应的编号。
2.4源IP与目的IP

IP报头当中的32位源IP地点和32位目的IP地点，分别代表的就是该报文的发送端和接收端对应的IP地点。
网络传输的基本模式是请求与响应，那么报文就须要在网络通讯的过程中始终明确我从哪里来（以便响应），我到哪里去（以便请求），源IP与目的IP解决的就是在网络世界中唯一标识主机。
理解socket编程
在举行socket编程的时间，当一端想要发送数据给另一端时，必须要指明对端的IP地点和端标语，也就是发送数据的目的IP地点和目的端标语。
其中这里的IP地点就是给网络层的IP用的，用于数据在网络传输过程中的路由转发，而这里的端标语就是给传输层的TCP或UDP用的，用于指明该数据应该交给上层的哪一个进程。
发送数据时我们不须要指明发送数据的源IP地点和源端标语，因为传输层和网络层都是在操纵系统内核当中实现的，数据在举行封装时操纵系统会自行填充上对应的源IP地点和源端标语。
2.5八位生存时间

报文在网络传输过程中，大概因为某些缘故原由导致报文无法到达目的主机，比如报文在路由时出现了环路的环境，或者目的主机已经异常离线了，此时这个报文就成了一个废弃的游离报文。
为了克制网络当中出现大量的游离报文，于是在IP的报头当中就出现了一个字段，叫做8位生存时间（Time To Live，TTL）。8位生存时间代表的是报文到达目的地的最大报文跳数，每当报文经过一次路由，这里的生存时间就会减一，当生存时间减为0时该报文就会被主动丢弃，此时这个报文就会在网络中消散。
2.6分片与组装

MAC帧作为数据链路层的协议，它会将IP传下来的数据封装成数据帧，然后发送到网络当中。但MAC帧携带的有用载荷的最大长度是有限制的，也就是说IP交给MAC帧的报文不能高出某个值，这个值就叫做最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU），这个值的巨细一样平常是1500字节。
在Linux下使用ifconfig下令可以检察对应的MTU。

由于MAC帧无法发送大于1500字节的数据，因此IP层向下交付的数据的长度不能高出1500字节，这里所说的数据包括IP的报头和IP的有用载荷。
所以如果IP层要传输的数据大于1500字节，就须要先在IP层将该数据举行分片，然后再将分片后的数据交给链路层发送，对端网络层收到后会将数据举行组装。
数据的分片不是经常须要做的，实际在网络通讯过程中不分片才是常态，即不建议分片。
之前我们在学习TCP协议时存在有一个滑动窗口的概念，其时我提出了一个疑问：为什么不能将滑动窗口中的数据一次性发送出去，而反而要将滑动窗口分为若干个小块，每次发送仅发送窗口中的一小块，实际上就是因为链路层MAC帧报文的最大传输单元问题。
以上策略其实就是为了防止IP层数据过大须要分片的环境，但是如果传输层还是将过大的数据交给了IP层，IP层就会对该部门数据举行分片，分片会有什么风险呢？
只有当接收端收到了全部的分片报文并将其成功组装起来，才认为该数据被对方可靠的收到了。但如果众多的分片报文当中有一个报文出现了丢包，就会导致接收端就无法将报文成功组装起来，这时接收端会将收到的分片报文全部丢弃，此时传输层TCP会因为收不到对方应答而举行超时重传。
假设在网络传输时丢包的概率是万分之一，如果将数据拆分为一百份举行发送，那么此时丢包的概率就上升到了百分之一。因为只要有一个分片报文丢包了也就等同于这个报文整体丢失了，因此分片会增加传输层重传数据的概率。
如何尽大概克制分片？
实际数据分片的根本缘故原由在于传输层一次向下交付的数据太多了，导致IP无法直接将数据向下交给MAC帧，如果传输层控制好一次交给IP的数据量不要太大，那么数据在IP层自然也就不须要举行分片。
因此TCP作为传输控制协议，它须要控制一次向下交付数据不能高出某一阈值，这个阈值就叫做MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度）。

所以一样平常建议TCP将发送的数据控制在1460字节以内，此时就可以或许降低数据分片的大概性。之所以说是降低数据分片的大概性，是因为每个网络的链路层对应的MTU大概是不同的，如果数据在传输过程中进入到了一个MTU较小的网络，那么该数据仍然大概须要在路由器中举行分片。
注意：

（1）具体分片过程
假设IP层要发送4500字节的数据，由于该数据高出了MAC帧规定的MTU，因此IP须要先将该数据举行分片，然后再将一个个的分片交给MAC帧举行发送。
IP报头如果不携带选项字段，那么其巨细就是20字节，假设IP层添加的IP报头的长度就是20字节，并按下列方式将数据分片后形成了四个分片报文：
分片报文总字节数IP报头字节数数据字节数1150020148021500201480315002014804802060 须要注意的是，分片后的每一个分片数据都须要封装上对应的IP报头，因此4500字节的数据至少须要分为四个分片报文举行发送。
分片报文到达对方的IP层后须要被重新组装起来，因此IP层在对数据举行分片时须要记录分片的信息，而IP报头当中的16位标识、3位标志和13位片偏移实际就是与数据分片相干的字段。

   为什么偏移字节数必须是 8的整数倍 ？
  IP报文长度用 16位 表示，片偏移用 13 位标识，为了让 13位片偏移 可以或许表示总的报文长度，在填充片偏移字段时要对真实偏移量 / 8，即让真实偏移量 >> 3 ，将来在提取真实偏移量时，对 片偏移 * 8，即片偏移 << 3，由于偏移字节数必须是 8 的整数倍，所以真实偏移量的后三位一定是0，比如 111 1000 =120是8的整数倍，这样后三位为0，右移3位不会丢失精度。
  由于上述四个分片同属一个报文，所以各片对应的16位标识都是一样的，假设四个分片报文的16位标识都是123，则这四个报文对应的16位标识、3位标志中的“更多分片”和13位片偏移分别如下：
分片报文总字节数IP报头字节数数据字节数16位标识“更多分片”13位片偏移115002014801231021500201480123118531500201480123137048020601230555   分片报文2在原始数据开始处的偏移字节数是1480（去掉报头），其对应的13位片偏移的值就是1480 ÷ 8 = 185 。
  （2）具体组装过程
MAC帧交给IP层的数据大概来自世界各地，这些数据大概是经太过片后发送的，也大概是没有经太过片直接发送的，因此IP必须要通过某种方式来区分收到的各个数据。

因此IP可以通过IP报头当中的32位源IP地点和16位标识，将经太过片的数据各自聚合在一起，聚合在一起后就可以开始举行组装了。
对于各个分片报文来说：

根据分片报文的这三个特点就可以或许将分片报文公道的组装起来。

如果分片报文丢包，接收端有能力判定是否收到了全部门片报文，比如假设某组分片报文对应的16位标识值为x：

   须要注意的是，未分片报文的“更多分片”标志位为0，最后一个分片报文的“更多分片”标志位也为0，但当接收端只收到分片报文中的最后一个分片报文时，接收端不会将其辨认成一个未分片的报文，因为未分片的报文所对应的13位片偏移的值也应该是0，而最后一个分片报文所对应的13位片偏移的值不为0。
  因此只有当一个报文的13位片偏移为0，并且该报文的“更多分片”标志位也为0时，该报文才会被辨认成一个没有被分片的独立报文，否则该报文就会被辨认成一个分片报文。
  3.网段划分

3.1IP地点构成

IP地点由网络号和主机号两部门构成：

   可以在IP地点的后面加一个 /，并在 / 后面加上一个数字，这就表示重新数到第几位为止属于网络标识。
  例如，下图中路由器毗连了两个网段。对于网络标识来讲，同一网段内主机的网络标识是雷同的，不同网段内主机的网络标识是不同的。而对于主机标识来讲，同一网段内主机的主机标识是不同的，不同网段内主机的主机标识是可以雷同的。


3.2DHCP协议

实际手动管理IP地点是一个非常贫困的事情，当子网中新增主机时须要给其分配一个IP地点，当子网当中有主机断开网络时又须要将其IP地点举行采取，便于分配给后续新增的主机使用。
因此对于IP地点的分配和采取一样平常不会手动举行，而是采用DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）技能。
DHCP通常被应用在大型的局域网环境中，其主要作用就是会合地点管理、分配IP地点，使网络环境中的主机动态得到IP地点、Gateway地点、DNS服务器地点等信息，并可以或许提升地点的使用率。
DHCP是一个基于UDP的应用层协议，一样平常的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作一个DHCP服务器。
当我们毗连WiFi时须要输入密码，本质就是因为路由器须要验证你的账号和密码，如果验证通过，那么路由器就会给你动态分配了一个IP地点，然后你就可以基于这个IP地点举行各种上网动作了。
3.3为什么要举行网段划分？

当IP要将数据跨网络从一台主机发送到另一台主机时，其实不是直接将数据发送到了目的主机，而是先将数据发送到目的主机所在的网络，然后再将数据发送到目的主机。
因此数据在路由时的第一目的并不是找到目的主机，而是找到目的网络所在的网络，然后再在目的网络当中找到目的主机。
数据路由时之所以不一开始就以找目的主机为目的，因为这样服从太低了。
查询的过程本质是排除的过程，如果一开始就以找目的主机为目的，那么在查找的过程中一次只能排除一个主机。而如果一开始先以找目的网络为目的，那么在查找过程中就能一次排除大量和目的主机不在同一网段的主机，这样就可以大大提高检索的服从。
因此，为了提高数据路由的服从，我们对网络举行了网段划分。
3.4网段划分方案

已往曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，就是把全部IP地点分为五类，如下图所示：

因此，各类IP地点的取值范围如下：

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类网络地点，导致B类地点很快就分配完了，而A类却浪费了大量地点；
   
  为了克制这种环境，于是又提出了新的划分方案，称为CIDR（Classless Interdomain Routing）：

   
  须要注意的是，子网划分不是只能举行一次，我们可以在划分出来的子网的基础上继续举行子网划分。
因此一个数据在路由的时间，随着数据不绝路由进入更小的子网，其网络号的位数是在不绝变化的，准确来说其网络号的位数是在不绝增加的，这也就意味着IP地点当中的主机号的位数在不绝淘汰。最终当数据路由到达目的主机所在的网络时，就可以在该网络当中找到对应的目的主机并将数据交给该主机，此时该数据的路由也就竣事了。
特殊的IP地点
并不是全部的IP地点都可以或许作为主机的IP地点，有些IP地点本身就是具有特殊用途的。

也就是说，IP地点中主机号为全0的代表的是当前局域网的网络号，IP地点中主机号为全1的代表的是广播地点，这两个IP地点都是不能作为主机的IP地点的。因此在某个局域网中最多能存在的主机个数是 （2 ^ 主机号位数）- 2 。
本机环回
本机环回会将数据贯穿网络协议栈，但最终并不会将数据发送到网络当中，相称于本机环回时不会将数据写到网卡上面。
本机环回的目的就是将数据自顶向下贯穿协议栈，举行一次数据封装的过程的过程，然后再自底向上贯穿协议栈，举行一次数据的解包和分用，用于测试本地的网络功能是否正常。
本机环回的基本原理：

4.IP地点数目限制

我们知道，IP地点（IPv4）是一个4字节32位的正整数，因此一共有 2^32 个IP地点，也就是快要43亿个IP地点。但TCP/IP协议规定，每个主机都须要有一个IP地点。
这意味着，一共只有43亿台主性能接入网络么？
实际上，由于一些特殊的IP地点的存在，数目远不足43亿；另外IP地点并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都须要配置一个或多个IP地点（比如跨子网的路由器须要两个网卡即两个IP）。
所以IP地点其实早就不够用了，CIDR在一定水平上缓解了IP地点不够用的问题（提高了利用率，淘汰了浪费，但是IP地点的绝对上限并没有增加），仍然不是很够用。这时间有三种方式来解决：

5.私有IP和公网IP

如果一个组织内部组建局域网，IP地点只用于局域网内的通讯，而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地点都可以，但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地点。

包含在这个范围中的，都称为私网IP，别的的则称为公网IP（或全局IP）。
是不是感觉到192.168这串数字非常认识，没错这就是一样平常的家庭网络所使用的私网IP地点，这个IP地点并不是公网IP，该IP地点仅在你所处的局域网内有用。
如果你现在的手机毗连的是家庭wifi，你可以看一下手机此时的IP地点：
电脑也是一样，在cmd窗口中输入ipconfig下令检察当前IP：

那再来看一下云服务器的IP地点环境：

很显着116开头的IP是公网IP地点。
通过ifconfig下令来检察我们这台呆板的私网IP：

那我的设备想要发送数据给云服务器，目的IP是填云服务器的私网IP：192.168.0.59 么？
答案是否定的，因为私网IP仅在子网内有用，我与云服务器处于不同的子网内，想要发送数据给云服务器必须知道云服务器的公网IP，即 116.204.13.111。所以这一过程一定会跨子网，那如何高出子网呢？
6.路由器

路由器可以完成数据转发，将数据从一个网络传输到另一个网络。
路由器是毗连两个或多个网络的硬件设备，在路由器上有两种网络接口，分别是LAN口和WAN口：

我们将LAN口的IP地点叫做LAN口IP，也叫做子网IP，将WAN口的IP地点叫做WAN口IPO，也叫做外网IP。
我们使用的电脑、家用路由器、运营商路由器、广域网以及我们要访问的服务器之间的关系大致如下：
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地点不能重复，但是子网之间的IP地点就可以重复了。
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大概会有很多级，最外层的运营商路由器的WAN口IP就是一个公网IP了。
如果希望我们本身实现的服务器程序，可以或许在公网上被访问到，就须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/华为云上举行购买。
由于私网IP不能出现在公网当中，因此子网内的主机在和外网举行通讯时，路由器会不绝将数据包IP首部中的源IP地点更换成路由器的WAN口IP，这样逐级更换，直到数据包中的源IP地点更换为一个公网IP，这种技能称为NAT（Network Address Translation，网络地点转换）。
所以NAT技能在某种水平上缓解了IP地点不足的问题：通过路由器可以维护多个子网，子网内又可以维护多个设备，这样大量的个人设备使用私网IP即可，不占用有限的公网IP。
   两个局域网当中的主机不能不跨公网举行通讯
  
  但实际确实存在一些技能可以或许使数据包在发送过程中不举行公网IP的更换，而将数据精确送到目的主机，这种技能叫做内网穿透，也叫做NAT穿透。
  运营商
可以看到一样平常我们使用网络都是处于某一子网内，而子网对外毗连的渠道就是通过路由器，而家用路由器也是在更大型路由器维护的子网下的一个节点而已，这个更大型的路由器其实就是运营商提供的，所以我们一切的网络举动都绕不开运营商，我们访问服务器的数据并不是直接发送到了对应的服务器，而是须要经过运营商建设的各种基站以及各种路由器，最终数据才能到达对应的服务器。
也就是说，用户上网的数据首先必须经过运营商的相干网络设备，然后才能发送到互联网公司对应的服务器。因此所谓的网段划分、子网划分等工作实际都是运营商做的。
7.路由

7.1路由的过程

数据在路由的过程中，实际就是一跳一跳（Hop by Hop）的“问路”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地点到目的MAC地点之间的帧传输区间。

IP数据包的传输过程中会遇到很多路由器，这些路由器会帮助数据包举行路由转发，每当数据包遇到一个路由器后，对应路由器都会检察该数据的目的IP地点，并告知该数据下一跳应该往哪跳。
路由器的查找结果大概有以下三种：

7.2具体过程

每个路由器内部会维护一个路由表，我们可以通过route下令检察云服务器上对应的路由表。

字段表明：

当IP数据包到达路由器时，路由器就会用该数据的目的IP地点，依次与路由表中的子网掩码Genmask举行“按位与”操纵，然后将结果与子网掩码对应的目的网络地点Destination举行比对，如果匹配则说明该数据包下一跳就应该跳去这个子网，此时就会将该数据包通过对应的发送接口Iface发出。
如果没有找到匹配的目的网络地点，此时路由器就会将这个数据包发送到默认路由，也就是路由表中目的网络地点中的default。可以看到默认路由对应的Flags是UG，实际就是将该数据转给了另一台路由器，让该数据在另一台路由器继续举行路由。

数据包不绝经过路由器路由后，最终就能到达目的主机所在的目的网络，此时就不再根据该数据包目的IP地点当中的网络号举行路由了，而是根据目的IP地点当中的主机号举行路由，最终根据该数据包对应的主机号就能将数据发送给目的主机了。
   路由表生成算法
  路由可分为静态路由和动态路由：
  
  路由表相干生成算法：距离向量算法、LS算法、Dijkstra算法等。
  
博观而约取，厚积而薄发。 —苏轼

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