Linux——IP协议

1. 现实意义

• IP协议：提供一种能力，把数据报从主机A跨网络送到主机B

• TCP/IP协议：核心功能，把数据100%可靠的从主机A跨网络送到主机B

注：TCP协议负责百分百可靠，通过三次握手、滑动窗口、拥塞控制、延时应答等一系列机制。IP协议负责传输数据报

• 现实情况：网络中大存在大量的主机，因此必须标识主机的唯一性，所以每台主机都有自己的IP地址。

• 概念：IP地址 = 网络号 + 主机号

2. IP协议报头的组成

问：如何进行报文解包？

答：4位首部长度决定报头大小，16位总长度决定整个报文大小，有了总长度和报头长度就可以进行解包

问：IP协议如何确定将有效载荷传给上层的哪一个协议？(分用问题)

答：8位协议表明自己的有效载荷是什么数据，是TCP就交给TCP，是UDP就交给UDP，这是传输层向网络层交付有效载荷时确定的

2.1 IP协议报头中其他成员作用

• 4位版本：大多数情况是IPV4，IPV6和IPV4不兼容

• 8位服务类型：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.

• 8位生存时间(TTL):本质是一个计数器，目的是防止数据包在网络中无限循环，导致出现网络拥塞问题，当数据包每经过一个路由器时，个数就会减减，在个数减到0时，就会被丢弃。

• 16位首部校验和：用于检测数据在传输过程中是否出现错误的机制，确保 IP 数据包的头部信息在传输过程中没有被篡改或损坏，保证网络通信的可靠性。

3. 通过学院管理来认识网络中的一些概念

以大学管理为例：假设计算机学院(学院编号为06)的某位学生A(学号为06001)，捡到了一个机械学院某位学生B(假设学号为01005)的钱包，作为计算机院的学生A，他知道01不是自己学院的编号，所以他会联系自己学院的学生会主席，作为学生会主席，他知道每个学院的编号，因此他就会通知机械院(编号01)的主席，机械院主席就会拿着对应学号去自己学院下找人。

• 01 称为源网络号，06 称为目标网络号

• 005 称为源主机号， 001 称为目标主机号

• 由IP地址的定义就可得知，01005为源IP地址，06001为目标IP地址

• 学生相当于主机，学院主席相当于路由器，整个学校相当于公网

• 学校为每个学院分配的编号是公网的一部分

• 为每个学生分配的学号叫做私网/内网

• 01005号学生将钱包交给学院主席的过程叫：内网转发

• 计算机院的主席将钱包交给机械院主席的过程叫：公网转发

子网划分：将一个大的网络划分为多个更小的网络(即子网)的过程。(将一个大的学校，划分为几个学院的过程)

问：为什么进行子网划分？(为什么学校要分学院管理？)

认识：路由报文本质是：查找主机，而查找的本质是：淘汰。以二分查找为例，当选了左半区域，右半区域就被淘汰了，只要淘汰效率高，那么查找的效率就高，当你把报文传给主席，说明自己院里的学生全淘汰了，当计算机院主席把报文给机械院主席，其他学院就淘汰了。

答：来查找目标主机，必须查找目标网络，本质就可以淘汰其他网络，可以在全网中提高查找目标主机的效率

认知：主机中的IP是通过路由器进行分配的，叫做DHCP协议，属于应用层协议

注：路由除了有路由功能以外，还有构建子网的功能

注：举这个例子的目的是为了有这样一个认识：网络本身是经历了十几年发展的产物，网络本身就是被设计好的，就如同学号，认识网络是如何被设计的，比理解其中的算法更重要。

4. 认识IP地址

IP地址一共被分为五类：

• 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

注：前三类分别对应于大型网络、中型网络、小型网络

问题：可以看到无论哪一类，主机号的数量都特别的庞大，在实际网络架构中，没有哪个子网会出现这么多的主机数量，因此大量的位都被浪费掉了

解决措施：子网掩码

4.1 子网掩码

子网掩码的作用：1.将IP地址分为网络号和主机号 2.进行网络地址划分 3.将划分好的网络地址与自己的网络地址进行比较，来判断是否同属于一个子网

网络中的子网划分：本质是通过IP地址和子网掩码确定一个子网地址范围，除去网络地址和广播地址，其他地址均可以供任意主机使用。(公网和私网都适用)

子网划分的例子1：

将IP地址与子网掩码相与，得到网络号，后8个字节为0，代表主机号，那么该主机号一共有256个，但实际上，140.252.20.0代表代表这个局域网，而140.252.20.255代表广播地址，所以一共的主机数为256-2=254

子网划分的例子2：

将IP地址与子网掩码相与，得到网络号，后4个字节为0，代表主机号，那么该主机号一共有16个，减去局域网地址和广播地址一共就有14个。

注：240(十进制) = 11110000(二进制)

认知：即使有了子网掩码，优化了IP地址的利用率，32位能表示的主机数量大约为43亿，远不及当今网民总数，因此还需要另外的方法来解决：动态分配IP(只给接入网络的设备分配ip地址)、NAT技术、IPv6

4.2 私网IP地址

• 规定1：

        A 类私网地址：10.0.0.0 到 10.255.255.255（子网掩码：255.0.0.0 /8）

        B 类私网地址：172.16.0.0 到 172.31.255.255（子网掩码：255.240.0.0 /12）

        C 类私网地址：192.168.0.0 到 192.168.255.255（子网掩码：255.255.0.0 /16）

• 规定2：

私网IP地址不能出现在公网当中！

• 认识1：

除了上述IP地址以外，其他地址均为公网IP地址

• 认识2：

私网IP地址在不同子网内是可以重复的！

问：为什么要这样子划分？

答：为了解决全球IP地址不足的问题，假设原先一共有1W个IP地址，那么只能分配给1W台主机，但如果我拿其中3000作为私网IP地址，另外7000作为公网IP地址，并且规定，公网IP地址不能重复，私网IP地址可以重复，那么就能分配给7000*3000台主机，数量大大增加。

4.3 公网IP地址

除去私网地址IP以外，都是公网IP。

• 认识1：公网IP根据每个国家网民的数量来进行分配的

• 认识2：公网IP在公网内部不能重复！

• 认识3：从公网IP可以读取到一些信息，比如国家、省份/州、市区.....

4.4 简单认识路由器

路由器内部有WAN口IP地址，和LAN口IP地址，不同路由器的WAN口IP地址和LAN口IP地址代表不同类型的IP地址。

对于运营商路由器，他的WAN口IP地址是公网IP，LAN口IP地址为私网IP；

对于家庭路由器，他的WAN口IP地址和LAN口IP地址都为私网IP；

结论：运营商路由器是公网IP分配的最后一环，运营商路由器之后的所有IP都是私有IP，由运营商来构建子网

4.5 私有IP是如何通过公网传达自己的报文的？

问：私网IP是不能出现在公网中的，那么私网IP的报文该如何通过公网发送自己的报文呢？

答：NAT技术

图示：

因为私网ip不能出现在公网中，所以主机每次经过路由器时，会将路由器内的WAN口IP与报文中的源IP做交换处理，传达给上一层，当抵达运营商IP时，此时WAN口IP为共网IP，于是报文就获得了公网IP，可以进入到公网当中，实现报文的传递。

注：每次进行源IP和WAN口IP的交换时，路由器内部都会将两者的映射关系保存下来，以便接收后续回应。

4.6 其他路由器

前言：真正的网络拓补图是十分复杂的！这里的介绍是简单到不能在简单的，只是大致思路，并非真正的实现方式！！！

以国内为例，除了运营商路由器(ISP路由器)，还有省间路由器(区域路由器)，以及国际路由器(核心路由器)。所有的路由器都存储着两张路由表，

国际路由器：记录国外路由表、国内路由表，

省间路由器：记录了其他省的路由表、省内所有市区的路由表

注：一般而言，从市区开始就可以通过运营商构建子网了

路由表简单介绍：路由器和计算机用来确定 数据包发送路径 的表格，包含了 网络目标地址 和 到达该地址的路径

国际报文：

假设一个俄罗斯用户想要发送一个中国IP的报文，该IP为5.1.16.X，该IP会与俄罗斯某个州的16位子网掩码相与得到5.1.0.0，查表后发现对不上，说明不是俄罗斯境内的IP地址，会到下一跳，将IP与八位子网掩码相与得到5.0.0.0，查表后知晓是中国的IP地址，于是会到下一跳。再将IP地址与16位子网掩码相与得到5.1.0.0找到对应省份，转到下一跳，以此类推。

国内报文：

假设一个河北的报文要发到江苏苏州，假设该报文位5.1.16.X，河北区域的路由器将该IP通过24位子网掩码相与，发现不是河北省内的IP，于是转到下一跳，将IP地址与16为子网掩码相与得到5.1.0.0，查表后发现是江苏省的IP地址，转到下一跳，依次类推找到对应主机。

注：这种通过子网掩码获得网络号、查表、下一跳的过程可以具象为：“问路”的过程

认识：eth0物理以太网接口，用于物理以太网链接，通过网线将计算机连接到本地网络或路由器。（出接口涉及链路层，这里先做了解）

5. IP报头的另外三个成员——分片机制

数据链路层规定：从传输层接收下来的完整报文，大小不能超过MTU(最大传输单元,1500字节)，如果超过了就要进行分片

注1：实际上考虑到IP报头以及TCP报头的大小，传输层单次传送的最大报文为1460(MSS)字节

注2：这也就是为什么滑动窗口需要分段的原因了

注3：

MTU决定了IP数据包的大小(含IP头和TCP头)

MSS决定了TCP有效载荷的大小，不含TCP头

MTU决定了MSS的大小 MSS = MTU - IP报头 - TCP报头 = 1460(通常情况下)

TCP在三次握手的握手的过程中，可以确定对方MSS的大小，以较小一端的来决定未来发送载荷的大小。

结论1：过大的IP需要在网络层进行分片，分完片后，需要在对端重新组装

注：分片的问题 → 缺了任何一片都会导致整体的丢失，对于TCP协议就会触发丢包重传

结论2：网络通信中，如果分片过多，会导致丢包概率增加！因此分片和组装不是主流，是被迫为之，因此需要减少分片，本质就是在传输层控制滑动窗口的大小

问：如何分片？

答：每一个分片后的报文都包含IP报头，其中

👉：16位标识：不同报文，标识不同，相同分片，标识相同；

👉：3位标志第一位做保留，第二位置一标识禁止分片，第三位表示”更多分片”，最后一片的第三位置零，其他置一，标识结束位。

👉：13位片偏移标识当前片在整个报文的偏移

问：如何甄别是否分片？怎么保证对端把分片全收齐了？怎么组装？

答1：如果3位标志位的第三位为1，表明分片了，如果第三位为0，但是片偏移非0，说明分片了；反之，如果3位标志位第三位为0，片偏移也为0，说明没有分片

答2：把16位标志位相同的片聚合在一起后，对片偏移做升序排序，片偏移+自身片的报文长度 = 下一个片的片偏移数字，如果对不上就说明缺失了，反之收齐

答3：对片偏移进行升序排序的过程就是组装的过程