网络层协议—

IP协议

IP协议格式

分片与组装

网段划分

特殊IP地址

IP地址的数量限制

私有IP地址和公网IP地址

路由

路由表生成算法

IP协议

IP协议全称为“网际互连协议（Internet Protocol）”，IP协议是TCP/IP体系中的网络层协议。

在应用层我们解决了数据使用的问题，在传输层我们解决了数据如何传输的问题，虽然说是传输，但是也要有传输的介质，两个主机传输数据，一定要知道对端的主机在什么位置。所以IP协议就提供了一种将数据从主机A发送到主机B的能力，但是这个能力只是很大概率可以做成这件事，那么如何可靠的进行数据传输呢，那就是传输层要解决的了。

网络层就要在复杂的网络环境中确定一个合适的路径，路由器就是连接多个网络的硬件设备，因此数据在进行跨网络传输时一定需要经过多个路由器。

IP协议格式

此时的数据又变成了传输层的数据段，数据段中就有传输层报头、应用层报头还有数据。

说到协议就不得不提封装和解包，还有如何向上交付。

IP协议也采用固定长度20字节的报头，拿到IP协议报文后，读取4位首部长度，判断报文的长度是不是20，如果不是20，减去20就是选项，这个问题和TCP协议的4位首部长度的处理方式是一样的。其中8位协议就表明了是UDP协议还是TCP协议，通过这个8位协议就可以决定交给传输层的TCP还是UDP。IP协议是有16位总长度的，所以有效载荷的字节数就是16位总长度－4位首部长度 × 4。

其中4位版本填入的永远都是IPv4，就是4。

8位服务类型中，3位优先权（不再使用），4位TOS，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4位相互冲突，只能选择一个。对于FTP文件传输协议，最大吞吐量比较重要。

8位生存时间，一个IP报文因为路由器的Bug，在网络中出现环路转发的问题，使它一直在占用网络资源，为了解决这种问题设置了8位生存时间，这个生存时间就是一个计数器，经过一个路由器就－－，直到这个字段减到了0，这个报文直接被丢弃。

16位首部校验和，如果校验失败，报文直接被丢弃，丢弃也不用担心，TCP会进行超时重传。

32位源和目的IP地址，记录的就是报文从哪来，到哪去。

我们可以看出，IP协议和TCP协议有相似的地方，这也是为什么我们把网络协议栈叫做TCP/IP协议。

分片与组装

IP协议中还有三个位置没有说，分别是：16位标识、3位标志还有13位片偏移，在说他们之前，我们要再说一下这三个位置产生的原因：

在网络层下面就是数据链路层，数据链路层由于物理特征，它无法传输太大的数据。
它可以转发到网络中的字节数被限制为1500字节（Maximum Transmission Unit）。
如果想要发送超过1500字节的数据，网络层就要对数据进行分片。
通过分好的大小向对端发送，谁分片，谁组装，所以组装工作只能由对端的网络层进行，因为网络层向上交付的时候也必须是一个完整的报文，所以才要组装。

16位标识也就是IP报文的序号，如果没有分片，每一个IP报文的16位标识都是不一样的。

3位标志。第一位保留不使用；第二位为1表示禁止分片，如果超过报文长度超过MTU，网络层就会直接丢弃报文；第三位表示“更多分片”，没有分片就是0，如果分片了，该报文最后一个分片就是0，该报文其余的都是1，类似一个结束标志。

13位片偏移，该分片相对于该报文起始位置的偏移量，实际偏移的字节数 = 该位的值 × 8，除了最后一个分片之外，其他分片的长度必须是8的整数倍，否则报文就不连续了。

要完成这个工作，网络层要先识别报文之间的区别；要识别报文是否被分片；要识别哪些分片是开始，哪些分片是中间，哪些分片是结束；如果有一个分片丢失也要识别出来。

区别不同的报文可以根据16位标识。
没有被分片的报文的3位标志位的最后一位一定是0，且13位片偏移也一定是0。
分片的开始：更多分片位为1，片偏移位0。
分片的中间：更多分片位为1，片偏移位不为0。
分片的结束：更多分片位为0，片偏移位不为0。
收到分片后，根据偏移量进行升序排序，偏移量 = 上一个分片的偏移量 + 其“具体”长度。如果发现某时收到分片的偏移量与报头中的13位片偏移不符，那就证明有一个分片丢失了，成功计算到结尾就证明把所有分片都收取完了。

下面我们简单的来看一下分片和组装的过程。

假如要分3000字节的报文，每次发送最大就只能发送1500字节，分片之前是一个完整的报文，分片后也要是一个完整的报文，所以一定会多几个报头，这里假设报头不带选项，固定20字节。对于原始报文的切分就按照虚线切分。

第一个分片中自带报头，所以不用添加报头，大小就是1500字节，偏移量为0；第二个分片中没有报头，所以要添加报头，报头20字节，有效载荷只能是1480字节，偏移量为1500；最后一片给剩余的报文添加报头，偏移量是相对于原始报文的偏移量，不携带分片后添加的报头，所以最后一个偏移量是2980。

组装的时候就按序组装，除了第一个报文，其余的都要去掉报头。

事实上，分片的做法是很不推荐的。因为分片的行为是在网络层进行的，上面的传输层和应用层根本就不知道，IP协议要进行分片，那是不是增加了丢包的概率呢。

但是分不分片并不是网络层说了算的，是因为数据链路层不让发太大的数据，那解决这个问题还得看传输层和数据链路层。

网段划分

全球中主要使用的还是IPv4，32位能够表明的主机数量就是2的32次方个。

IP地址由网络号和主机号两部分构成：

网络号：保证不同的网段的标识是不同的，根据网络号可以标识不同的地区。
主机号：在同一个网段内，网络号是相同的，但是主机号一定是不同的。

两个网段通过两台路由器相连接，根据不同的网络标识区别两个网段，在同一个网段中根据主机标识区分不同主机。

这种设计在日常生活中也随处可见，比如我们的学号，前几位表示哪个学院，中间几位表示专业和班级，最后几位表示在班级中的几号。

那么为什么要进行这样的划分呢？

在网络通信中，一定会出现长距离传输，距离变长，可靠性要解决，如何定位目标主机也要解决，在公网中有许多的网段，有许多的主机，为了快速高效的定位才采用这样的方式，通过前几位就知道要去哪个地区、哪个省、哪个市和哪个小区，找到这个IP地址所在的网段，然后确定是哪一台主机，每确定一个位置就可以排除掉网络中大量主机，所以这种做法便于定位，而且高效。

上面我们已经知道了网段划分的好处，那么如何进行网段划分呢？

我们先来说一下过去的划分方式，将IP地址分为五类：

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。

判断一个IP地址是属于哪一类时，只需要遍历IP地址的前五个比特位，第几个比特位最先出现0值，那么这个IP地址对应就属于A、B、C、D、E类地址。但是这种方式的局限性很快就显现出来了，因为A类IP的数量较少，大多数都会选择B类IP，申请到B类IP后，主机号有2的16次方，就是65536台主机，但是一个局域网中不会由这么多主机，所以大部分的IP地址就浪费了，本来2的32次方都不够用，还要浪费。

所以我们来说一下子网划分方案——CIDR（Classless Inter-Domain Routing）。

为了区分IP地址中的网络号和主机号，于是引入了子网掩码（subnet mask）的概念。
每个路由器都有自己的子网掩码，它也是一个32位整数，开头部分是全“1”，结尾部分是全“0”。
将IP地址与当前网络的子网掩码进行“按位与（&）”操作，就能得到当前的网络号，也就可以得知当前IP所在的位置。

这样IP地址就被更细粒度的划分为一个更小的子网，通过不断划分，主机号越来越短，子网中可用的IP地址也会越少，这就可以减少IP地址被浪费的情况。

假如在某一个子网中将IP地址的前24位作为网络号，所以子网掩码以点分十进制的形式就是255.255.255.0。
此时一个IP地址与子网掩码按位与后，前24位不变，后8位就被清零了。
可以在IP地址后加一个“/”，后面的数字就是表示网络号的位数，例如：192.168.16.1/24，表示前24位为网络号。

当一个报文在公网中路由的时候，IP地址会与当前国家的路由器中的子网掩码（此时的子网掩码可能就是255.0.0.0）按位与拿到前几位，看看是哪个国家，然后把报文就传给对应的路由器，路由器中可能还不止一组子网掩码，通过路由器中的另一组子网掩码查出是哪个省的，把报文再交给对应的省，之后按照同样的方式按位与子网掩码，最后就可以找到目的主机。

每路过一个路由器，与子网掩码按位与后得到网络号，通过这个网络号就可以排除大部分主机。随着网络号的位数越来越大，主机号的位数越来越小，最终就可以找到目标主机，此次路由就结束了。

特殊IP地址

并不是所有的IP地址都能够作为主机的IP地址，有些IP地址本身就是具有特殊用途的。

127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1。
如果IP地址中的主机号全部为0，那这就是网络号，代表这个局域网。
如果IP地址中的主机号全部为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。

IP地址的数量限制

IP地址（IPv4）是一个4字节32位的正整数，共有2的32次方个IP地址，也就是43亿多个IP地址。但TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。

在未来的生活中，几乎所有的设备可能都要进行联网，那就要有对应的IP地址，所以这些IP地址是远远不够的，虽然CIDR的方案已经划分划分好了5类网络进行子网划分，但是它也只是减少了浪费，并没有增加IP地址。解决IP地址不足的方式也有：

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，避免了IP地址强绑定于某一台设备，用到的就是DHCP协议。
当子网中新增主机时，需要为它分配一个IP地址；子网当中有主机断开网络时，需要回收它的IP地址，便于分配给后续新增的主机使用。
对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）技术。
DHCP是一个基于UDP的应用层协议，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。
当我们连接WiFi时需要输入密码，路由器验证你的账号和密码后，验证通过就给你动态分配了一个IP地址，然后你就可以通过这个IP地址进行网络通信。
NAT技术：能够让不同局域网当中同时存在两个相同的IP地址，NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机，下面就来这个技术。
IPv6：IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，能够解决IPv4地址不足的问题，但它们是互不相干的两个协议，彼此并不兼容，修改成本过大，没有普及。

私有IP地址和公网IP地址

我们做出了如下规定，如果一个组织内部组建局域网，有一类IP不可以出现在公网中，这些IP地址只能用来组建局域网或子网，这些IP地址如下：

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。

在这个范围中的IP地址都称为私有IP，其余的都称为公网IP，这些私有IP地址就是RFC 1918规定用于组建局域网的IP地址。

打开我们电脑中的命令行模式，输入ipconfig，就可以看到，我的机器连接是WIFI，看到的就是这样。子网掩码表示前20位为网络号，默认网关就是局域网中的第一台主机也就是路由器，主机号就是1。

在云服务器下，使用ifconfig也可以查看，这里是172.16开头的IP地址。

首先我们要知道的是，网络通信的基础设施都是运营商搭建的，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，而是需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。

在家里连接网络的时候，都会联系运行商进行光纤入户，工作人员会给一个调试解调器（猫）和一个路由器，然后给家里的网络开户，配置一下路由器，让运营商认证家里的网络，也可以通过账号和密码配置路由器，之后就可以正常上网了，只要按时缴费就可以。不止是路由器，我们的手机号不也是要按时缴费的吗，欠费了就不能打电话，但是可以打给运营商，原因就是通信的路线是运营商搭建的。

路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，在路由器上有两种网络接口或两套地址，分别是LAN口和WAN口：

对内的LAN口（Local Area Network）：表示自己构建的局域网（子网），子网IP。
对外的WAN口（Wide Area Network）：表示自己也是别人构建的局域网中的一个机器的IP地址。

由上图可得知，在广域网中，多台运营商路由器的IP地址是不同的，但是他们所构建的局域网的IP是可以相同的。

因为私网IP已经不具备唯一性了，所以它不能出现在公网当中，因此子网内的主机在和外网进行通信时，路由器会不断将IP数据包报头中的源IP地址替换成路由器的WAN口IP地址，这样逐级替换，最终数据包中的源IP地址成为一个公网IP，这种技术成为NAT（Network Address Translation，网络地址转换）。

路由

路由就是数据问路的过程，问路就有三种结果，第一种：对方知道，并且告诉了你；第二种：对方不知道，但是它知道谁知道；第三种：对方也不知道。显然第三种在网络通信中是不允许发生的。

知道源IP和目的IP，通过路由器就可以实现下一步去哪（下一个局域网），比如在一个内网中，我要把数据发送到服务器，内网中的路由器中会有一个路由表，通过遍历表中的IP地址就可以知道下一次要去哪，直到找到目标服务器所在的局域网，然后通过主机号就可以找到是哪一台主机。

路由表是什么呢，在Linux下使用route命令就可以看到。

Destination：表示目的网络的网络号，default叫做默认网关。
Gateway：表示下一条的地址。
Genmask：表示子网掩码。
Flags：U表示正在被使用（Useful），G表示默认网关。
Iface：表示转发接口。

当路由器收到一个报文，拿报文中的目的IP地址与路由表的每一条数据的子网掩码进行按位与操作，之后和Destination进行比较，如果都没有比较成功就转发到默认网关，转发的过程就是通过Iface显示的接口转发。

这就是我的机器下的转发接口。

路由表生成算法

路由可分为静态路由和动态路由：

静态路由：是指由网络管理员手工配置路由信息。
动态路由：是指路由器能够通过算法自动建立自己的路由表，并且能够根据实际情况进行调整。

路由表相关生成算法：距离向量算法、LS算法、Dijkstra算法等。

在这一篇文章的最后，我们已经知道了一个报文如何在网络中转发的策略。

数据从应用层中来，依次向下封装，决定使用哪一种传输层协议，之后再向下发送给网络层，网络层决定发送的策略，想要通过网络发送数据就要进行路由转发，到了这里，我们还要注意，网络层并不会转发数据，它只是提供了策略，数据到了网络层还要向下，下一层就是数据链路层，数据链路层就帮我们解决如何转发。