计算机网络 | 网络层 ：IP协议详解
網絡層
- IP協議
- IPV4的協議格式
- 地址管理
- IP地址的組成
- IP地址的分類
- 特殊的IP地址
- 子網劃分
- 私有IP地址與公網IP地址
- 路由選擇
網絡層的目的就是實現終端節點之間的通信，即點對點通信。具體功能包括路由選擇與地址管理等。
這一層主要有IP和ICMP兩個協議組成，在這里就先重點講解IP協議，后面會單獨將IP協議相關的如ICMP,DNS,NAT,NAPT,DHCP等協議單獨寫一篇博客匯總。
IP協議
IP是InternetProtocol（網際互連協議）的縮寫，是TCP/IP體系中的網絡層協議。設計IP的目的是提高網絡的可擴展性：一是解決互聯網問題，實現大規模、異構網絡的互聯互通；二是分割頂層網絡應用和底層網絡技術之間的耦合關系，以利于兩者的獨立發展。根據端到端的設計原則，IP只為主機提供一種無連接、不可靠的、盡力而為的數據報傳輸服務。
因為目前IP協議主流的版本有IPV4和IPV6,但是IPV6目前不夠普及，并且泛用性小，所以我這篇博客主要寫的是具有代表性的IPV4。
IPV4的協議格式
- 4位版本號：用來標識IP首部的版本號，常見的即為IPV4和IPV6，各個版本的首部格式都有所不同，這里我畫的是IPV4的。
- 4位首部長度：表示IP首部的長度，單位為4字節即32位，因為首部長度具有4位，所能表示的最大數據為15即2^4 - 1，所以IP首部的最大長度為15 * 4 = 60字節，因為首部長度最少為5(除選項)，所以IP首部的最小長度為20字節。
- 8位服務類型:用來表明服務質量。目前0-2位棄用，7位保留。3-6位為TOS字段，分別為最低延遲、最大吞吐、最大可靠性、（這四位合并也代表著最大安全）
- 16位數據報長度：標志IP首部與發送數據的長度之和，大小為2^16，即64K，65535。因為IPV4的報頭和數據總大小為65535字節，但是數據中又包含了上層（傳輸層）傳下來的數據，所以會將上層如UDP協議數據的大小限制在65535-20（ip協議首部）- 8（UDP協議首部）。IPV6則沒有這個問題。
- 16位標識：標識當前分片屬于哪一個完整的上層報文，用于分片重組。因為受限于數據鏈路層的MTU限制，如果IP報文大于MTU，卻又符合數據報長度字段，此時就會在網絡層進行數據的分片，將數據拆分開來發送，之后再重組
- 3位標志位:標識包被分片的相關信息。0位保留，1位代表是否進行分片，2位代表如果分片是否位最后一個包。
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13位片偏移:當分片后的數據在對端重組時，用來確認該分片在原始報文中的位置。因為13位能夠標識的最大大小為8192，而數據報長度為65535，也就是16位。所以要想用13來標識16位，就將片偏移的單位設置為了8個字節，所以也就是說，例如當前片偏移位1000，則說明在原始數據中的1000*8 = 8000處。
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8位生存時間:報文的最長生命周期（也代表著可以中轉的路由器數量），每經過一次路由器就會減一，為0則直接丟棄。主要用于防止路由環路問題（多個路由互相連接，形成轉發環路，數據在環路中不斷的轉發）
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8位協議:記錄傳輸層所使用的協議，用于數據分用時，選擇上層解析協議
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16位校驗和：用于檢驗接收的數據與發送的數據是否一致，不一致則丟棄。校驗方法：二進制反碼求和，即對報文從頭開始的每個字節進行取反相加，高出16位則截斷高位，與低16位相加，得到校驗和。
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32位源IP地址/目的IP地址：表示發送端/接收端的IP地址，用于標識通信的兩臺主機
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0-40字節選項：主要協商和描述一些信息，如安全級別，源路徑，路徑記錄，時間戳。因為IP首部大小最高為60字節，而前面必須的有20字節，所以選項的大小可以為0-40字節。
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填充位：保證IP首部大小為4字節的整數倍，不夠則填充
地址管理
地址管理的目的是讓IP地址的分配更加的合理
IP地址的組成
IP地址就是網絡中主機的唯一標識，無論哪個主機與哪個主機之間進行通信，都需要用到IP地址來進行定位。
而IP地址，又由網絡號和主機號組成。
網絡號： 標識網絡，保證每一個路由器分配的IP地址都會帶有自己的網絡標識，（不同網絡使用不同的網絡號分配地址就可以避免沖突）
主機號： 標識主機，每一個主機在所在的網絡中都有唯一的主機號。
例如同一網絡下相鄰的兩個主機
/24代表著前24位是網絡號，而32-24=8，也就是剩下8位為主機號。
上圖中兩個主機的網絡號為：192.168.128
而他們的主機號分別為21和22。
不同的子網其實就是把網絡號相同的主機放到一起. 如果在子網中新增一臺主機, 則這臺主機的網絡號和這個子網的網絡號一致,
但是主機號必須不能和子網中的其他主機重復
通過合理的設置主機號和網絡號，就可以保證在互相連接的網絡下，每臺主機的IP地址都不同。
同時，可以利用DHCP技術來自動給子網中新增的主機分配IP地址，詳細的在下一篇博客中。
IP地址的分類
早期時人們通過對網絡號和主機號的劃分，將IP地址分為5類。
A類: 0.0.0.0到127.255.255.255
B類: 128.0.0.0到191.255.255.255
C類: 192.0.0.0到223.255.255.255
D類: 224.0.0.0到239.255.255.255
E類: 240.0.0.0到247.255.255.255
使用較為廣泛的主要為ABC三類地址，DE為特殊的IP地址。
A類IP地址：
用于組建大型網絡。第一位固定為0，7位網絡號，24位主機號。
IP地址范圍：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
例如1.0.0.0 ~1.255.255.255。
對于其中某一個網絡，其所能容納的主機數量位2^24 - 2,也就是16581373個主機（全0和1保留不用）
B類IP地址：
用于組建中型網絡。前兩位固定為10，14位網絡號，16位主機號。
IP地址范圍：128.0.0.0 ~ 223.255.255.255
例如128.1.0.0 ~128.1.255.255。
對于其中某一個網絡，其所能容納的主機數量位2^16 - 2,也就是65534個主機（全0和1保留不用）
C類IP地址：
用于組建小型網絡。前三位固定為110，21位網絡號，8位主機號。
IP地址范圍：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
例如192.168.1.0 ~192.168.1.255。
對于其中某一個網絡，其所能容納的主機數量位2^8 - 2,也就是254個主機（全0和1保留不用）
但是這種劃分方法是具有局限性的，因為A類太多（幾千萬個主機不可能用得完）,而C類太少（254個一下就用完了）。所以政府、企業、學校等組織都去申請較為適中的B類地址，但是在實際使用中，不可能每一個組織都能用滿，所以造成了大量IP地址的浪費。
所以為了解決這種情況，就提出了新的劃分方法，CIDR。
- 引入一個額外的子網掩碼(subnet mask)來區分網絡號和主機號;
- 子網掩碼也是一個32位的正整數. 通常用一串 “0” 來結尾;
- 將IP地址和子網掩碼進行 “按位與” 操作, 得到的結果就是網絡號; 網絡號和主機號的劃分與這個地址的類型無關。
子網掩碼就是一段連續的二進制1。子網掩碼與IP地址相與則能得到網絡號，而子網掩碼取反則能得到主機號的范圍。
例如：
可見,IP地址與子網掩碼做與運算可以得到網絡號, 主機號從全0到全1就是子網的地址范圍;
IP地址和子網掩碼還有一種更簡潔的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址為140.252.20.68, 子網掩碼的高
24位是1,也就是255.255.255.0
特殊的IP地址
0.0.0.0：可以識別當前主機上任意網卡地址（也就是缺省IP地址），常用于服務器的監聽地址。（表示綁定監聽本機上的所有地址）
255.255.255.255：全網廣播地址（任意一個主機收到這個地址的數據，都會認為是發送給自己的，常用于DHCP請求地址。）
127.0.0.1：本地虛擬回環網卡的地址（常用于本地的網絡通信測試，即自己給自己發送數據）
在上面寫到過，主機號全為1或者0的地址是特殊的，無法分配給主機。
主機號全為0：
其實就是網絡號，代表著這個網段。
主機號全為1：
其實是UDP局域網廣播地址(適配于當前網絡的所有主機）。
子網劃分
可以把基于每類的IP網絡進一步分成更小的網絡，每個子網由路由器界定并分配一個新的子網網絡地址,子網地址是借用基于每類的網絡地址的主機部分創建的。劃分子網后，通過使用掩碼，把子網隱藏起來，使得從外部看網絡沒有變化，這就是子網掩碼。
例如這道題目
某單位申請到一個C類網絡地址：192.168.2.0/24，該單位有4個部門，希望從這個網絡中平均劃分出四個子網，請列出每個子網的網絡號，子網掩碼，IP地址范圍
因為是C類網絡，主機號只有八位，而又要劃分出4個子網，那么就以為著要從8位中取兩位來作為網絡號。
192.168.2.00 192.168.2.01 192.168.2.10 192.168.2.11。
子網掩碼則為255.255.255.192
因為只剩下6位作為主機號，所以能夠使用的主機數量只有2^6 -2也就是62臺。
所以每個子網分別為
子網1：
網絡號：192.168.2.00 子網掩碼：255.255.255.192 IP地址范圍：192.168.2.0 ~192.168.2.63
子網2：
網絡號：192.168.2.00 子網掩碼：255.255.255.192 IP地址范圍：192.168.2.0 ~192.168.2.63
子網3：
網絡號：192.168.2.00 子網掩碼：255.255.255.192 IP地址范圍：192.168.2.0 ~192.168.2.63
子網4：
網絡號：192.168.2.00 子網掩碼：255.255.255.192 IP地址范圍：192.168.2.0 ~192.168.2.63
私有IP地址與公網IP地址
如果一個組織內部組建局域網,IP地址只用于局域網內的通信,而不直接連到Internet上,理論上 使用任意的IP地址都
可以,但是RFC 1918規定了用于組建局域網的私有IP地址
- 10.* ,前8位是網絡號,共16,777,216個地址
- 172.16.到172.31.,前12位是網絡號,共1,048,576個地址
- 192.168.*,前16位是網絡號,共65,536個地址 包含在這個范圍中的, 都成為私有IP, 其余的則稱為全局 IP(或公網IP);
- 一個路由器可以配置兩個IP地址, 一個是WAN口IP, 一個是LAN口IP(子網IP).
- 路由器LAN口連接的主機, 都從屬于當前這個路由器的子網中.
- 不同的路由器, 子網IP其實都是一樣的(通常都是192.168.1.1).子網內的主機IP地址不能重復. 但是子網之 間的IP地址就可以重復了.
- 每一個家用路由器, 其實又作為運營商路由器的子網中的一個節點。這樣的運營商路由器可能會有很多級, 最外層的運營商路由器, WAN口IP就是一個公網IP了. 子網內的主機需要和外網進行通信時,路由器將IP首部中的IP地址進行替換(替換成WAN口IP), 這樣逐級 替換, 最終數據包中的IP地址成為一個公網IP.這種技術稱為NAT(Network Address Translation，網絡地 址轉換).
- 如果希望我們自己實現的服務器程序,能夠在公網上被訪問到, 就需要把程序部署在一臺具有外網IP的服 務器上. 這樣的服務器可以在阿里云/騰訊云上進行購買.
在我們通過ipconfig查看本機IP地址時，往往看到的都是192.168.0.x。其實這個是我們的私有ip地址，可以這么說，比如在一定的區域內，劃分出了很多個網段，而這些網段下也就是我們的私網ip，這個ip地址僅僅用于我們內部的通信。也就是說，在這個大的網絡下，可能存在無數個這樣的子網，也就是為什么我們無論在家，還是在學校等地方，所看到的ip地址幾乎是一樣的。
這個私有的ip地址只能內部通信，如果要與外部通信，就需要借助到NAT技術來將私有的IP地址轉換為公有的IP地址。也就是說，這個網絡下的所有私有，都需要用統一的公網IP地址來外部通信。
關于NAT和NAPT的詳細就不在這里解釋，下一篇博客在一起寫。
路由選擇
路由選擇，即路由器為每一個流經的數據根據目的IP地址進行路徑選擇。
- 當IP數據包, 到達路由器時, 路由器會先查看目的IP;
- 路由器決定這個數據包是能直接發送給目標主機, 還是需要發送給下一個路由器;
- 依次反復, 一直到達目標IP地址;
路由器內部通過維護一個路由表，來決定數據轉發的路徑。
路由表的每一項中記錄了目的網絡，子網掩碼，下一跳。
通過查詢路由表來決定轉發的對象。
- 路由表可以使用route命令查看
- 如果目的IP命中了路由表, 就直接轉發即可;
- 路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和發送接口兩部分組成,當目的地址與路由表中其它行都不匹配 時,就按缺省路由條目規定的接口發送到下一跳地址。
路由表可以通過手動維護（靜態路由），也可以通過ospf,rip等路由選擇算法來自動選取。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络 | 网络层 ：IP协议详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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