基本概念

• 主机：有IP地址，但是不进行路由控制的设备。

• 路由器：有IP地址，又能进行路由控制。

• 节点：主机和路由器的统称。

协议头格式

• 4位版本号：指定IP协议的版本。对于IPv4来说，就是4

• 4位首部长度：IP首部的长度是多少个32bit，4bit表示的最大数字是15，因此IP头部最大长度是60字节

• 8位服务类型：3位优先权字段(已弃用)，4位TOS字段，和1位保留字段(必须置0)。4位TOS字段分别表示， 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：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，那么每一个片里的id都是相同的

• 3位标志字段：第一位(保留位)，通常未使用，始终设置为0，第二位设置为1时，表示该数据包不允许分片，如果IP报文长度大于MTU，只能丢弃，设置为0时，表示可以分片，第三位设置为1时，表示后面还有很多分片，为0时，表示这是最后一个分片

• 13位分片偏移：用于表示分片数据在原始数据中的偏移量，单位为8字节，这意味着每个分片数据的长度必须是8字节的整数倍

• 8位生存时间 (Time To Live)：数据报到达目的IP的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由，TTL-=1，一直减到0，如果还没到达目的IP，就把这个报文丢弃了，主要是防止出现路由循环

• 8位协议：表示传输层协议的类型，如TCP，UDP

• 16位头部校验和：使用CRC来校验，鉴别报文头部是否损坏

• 32 位源地址和 32 位目标地址：表示发送端和接收端

• 选项：不定长, 最多 40 字节

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有不同的标识

• 主机号：同一网段之间，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号

子网其实就是把网络号相同的主机放到一起，但是主机号不能重复，通过合理的设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中保证每台主机的IP地址都不相同，那么问题来了，手动管理子网内的IP是一种相当麻烦的事情

• 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

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，理论上一个子网能允许六万五千多个主机，A类子网能容纳的主机更多

• 然而实际网络架构中，一个子网中不会存在那么多主机，导致大量的IP地址被浪费掉了

针对这种情况，有人提出了新的方案，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

例如：

同一个IP地址，子网掩码不同，网络号也不同，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地址用于本地环回测试，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，分配的IP地址不一定是相同的

• NAT技术：

• IPv6：IPv6和IPv4没有任何关系，彼此不兼容，IPv6用16字节128位表示一个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

包含在这个范围中的, 都成为私有 IP, 其余的则称为全局 IP(或公网 IP)，私有IP不能进入公网

• 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)。

路由

路由的过程，就是一跳一跳的 “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

• 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

• 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,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.。

• 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。

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。

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