Linux网络——网络层

一.IP协议（IPv4）

二.子网划分

三.特殊的IP地址

一.IP协议（IPv4）

IP协议：提供一种能力使得数据从一个主机发送到另一个主机的能力。

TCP协议：提供了一套解决方案，主使得IP报文数据可以从一个主机可靠的发送给另一个机。

IP+TCP：提供了一种能力，将数据可靠的，跨网络的从一个主机传输给另一个主机。

基本概念:是指任何能够连接网络的设备，这些设备包括但不限于手机、平板电脑、电视、游戏机、汽车等。

1.IP协议格式

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，针对不同得场景来调节。
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报文在数据链路层被分片了, 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（后面说）, 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，导致报文持续占用网络，而不消散。
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

报头和有效载荷如何分离？

读取报头得到首部长度字段，和IP总字节长度字段。有效载荷=IP总字节长度-首部长度字段。

如何向上交付？

报头字段中有8位协议字段，代表需要交给的上层协议。

二.子网划分

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;

例如：

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。

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.

如何子网划分：

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：

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;

这种划分方式更加灵活的分配IP地址的比特位，减少了浪费。

子网掩码：

也是一个32位的二进制数，与IP网络地址对应，用来快速计算出一个IP地址所处的网络地址。

对应的网络号全是1，主机号全是0.与某一个IP相与，就能得到该IP网络号。

例如:

现在的子网划分：

按地区划分，由各个地区当地的运营商，同一规划和构建，运营商搭建各种路由器和集群。按照地区分化IP地址种的比特位作为网络号，当到了一定小的范围的时候，此时我们的IP地址不再划分，此时的IP地址，剩下的IP地址位数，就可以分配给该地区的网络主机。此时的主机上的IP地址就天然的有了网络号和主机号。

所以IP地址这种，网络号+主机号的构成，就是子网划分的结果。

当我们拿到一个IP地址的时候，我们就可以迅速的根据网络号，和主机号，定位该主机。

当有数据需要发送的时候，首先查看目的IP在不在自己子网中，不在交过当前子网的路由器，有路由器对比目的IP给交其他子网。

子网划分的目的：快速定位主机。

三.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

四.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;
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;

五.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, 都称为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP);

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公网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

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线;

数据报文路由的过程，非常想唐僧问路：

我从东土大唐而来去往西天求取真经，上一站我从女儿国来，下一站要去哪里只知道吗？

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：就是路由器内部建立的一张自己和周围连接的路由器表。

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是下一跳地址,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;

示例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;

示例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（默认）192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址;

路由表生成算法(了解)：

路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由), 也可以通过一些算法自动生成(动态路由).
生成算法, 例如距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等.

七.分片

提出问题：在传输层，TCP发送缓冲区内部有滑动窗口，为什么要将滑动窗口内的数据分成一个一个小的报文发送，为什么不直接封装成一个大的报文发送这样不是更加的方便吗?

原因在于数据链路层：

如果在网络层，接收到了封装好以后的报文大于1500字节，那么网络层就必须将报文分片成多个小于等于1500字节的报文，才能向下交付。

怎么分片和组装？

分片和组装是必须同时考虑的两个问题，因为一端分片发送了，对端就必须能够组装出来原始的报文才行。

一台机器可能同时收到大量的分片后IP报文，来自不同的客户端的分片IP报文，可能会有相同的16位标识位，如何区分来自不同客户端，相同的标识位的IP报文。

不同的客户端，发送来的IP报文，源IP必然不同。

我怎么知道一个报文是分片的还是没有分片的？

3位标志中的第二位如果是1，必然不是分片报文。
片偏移不是0，必然是一个分片报文。
3位标志中的第三位（更多分片）如果是1，必然分片。
片偏移是0，更多分片也是0，不是一个分片报文。

怎么保证分片收齐了，并组装。

保证头尾丢失我们能知道，头报文片偏移为0，尾报文更多分片为0.
中间报文排序组装。

怎么保证组合一起的报文一定是对的？

由报头中的16位首部检验和来保证。

所以IP协议主要解决，将报文在网络路由器中，通过路由表中记录的连接的子网，和报文中携带的目的IP对比，来将报文进行转发给下一个子网还是当前子网，依次往复找到目的子网络。