基本概念：
• 主机: 配有IP地址, 但是不进⾏路由控制的设备;
• 路由器: 即配有IP地址, ⼜能进⾏路由控制;
• 节点: 主机和路由器的统称;
IP协议的报头
• 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
• 4位头部⻓度(header length): IP头部的⻓度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表⽰最 ⼤的数字是15, 因此IP头部最⼤⻓度是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（传输过程中消耗时间最短）, 最⼤吞吐量（单位时间内传输数据尽可能多）, 最⾼可靠性（降低丢包的概率）, 最⼩成本（比较减小系统开销）. 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位总⻓度(total length): IP数据报整体占多少个字节.
• 16位标识(id)（用来区分那些数据报要进行合并）: 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, 这时候如果报⽂⻓度超过MTU, 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1, 其他是0. 类似于⼀个结束标记. （第二位是结束标记，当前包就是最后一个需要组包的部分。第三位表述该数据是否触发了拆包效果）
• 3位分⽚偏移(framegament offset)（若干数据报拼接的先后顺序）: 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, 其他报⽂的⻓度必须是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
• 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(不定⻓, 最多40字节): 略
IP地址不够用怎么办？
方案一：动态分布IP地址（上网就分配，不上网就不分配）
方案二：NAT机制（网络地址映射``）
首先把IP地址分为两大类
1.私网IP：10.* 172.16-172.31.* 192.168.*
2.公网IP
引入上述私网IP，那么怎么通信呢？
1.同一个局域网内部，设备之间通信
由于同一个局域网内部的IP不能重复，所以此时这些设备都能进行正常的相互交互
2.广域网与广域网之间的通信
由于公网IP的唯一性，所以也可以进行交互
3.局域网1中的设备A尝试连接局域网2中的设备B
不能进行交互
4.局域网设备尝试连接广域网的设备
这个过程通过NAT机制就能进行访问
5.广域网的设备尝试连接局域网的设备
不能进行交互
那么具体内网访问外网IP是怎么实现的呢
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;
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.
那么问题来了, 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.
子网掩码
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。
随着Internet的⻜速发展,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;
• 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外⽹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.
路由选择
在复杂的⽹络结构中, 找出⼀条通往终点的路线;路由的过程, 是⼀跳⼀跳(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（主机和路由器的统称）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;转发过程例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;
转发过程例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
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). 例如距离向量算法, LS算法, Dijkstra算法等.
