56 网络层

本节重点

理解网络层的作用，深入理解IP协议的基本原理
对整个TCP/IP协议有系统的理解
对TCP/IP协议体系下的其他重要协议和技术有一定的了解

1. 前置认识

传输层提供了很多策略，保证数据传输的各种策略，数据丢包等如何处理，那么将数据传输的跑腿活，这个具体工作是由谁来做。这就是接下来要说的网络层，用户需要的是将数据可靠的从A主机到B主机，ip协议本质工作，提供将数据从A主机到B主机的能力

2. IP协议

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网络要对所有的主机进行表示。源ip，目的ip来标识源主机和目的主机。每一个局部网络通过路由器和其他局部网络相连，想要到达目的主机，需要先到达目标网络，再找到目标主机，然后是目标进程

3. 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地址就像身份证号一样，每一部分都是设计好，有代表的意义，身份证号由地区码+出生年月和签发机构等构成

4. 协议头格式

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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，单位是4，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/telent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（total length）：IP数据报整体占多少个字节
8位生存时间（Time To Live，TTL）：是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游离报文出现路由循环
8位协议：表示上层协议的类型
16位头部校验和：使用CRC校验，鉴别头部是否损坏，坏了就丢弃
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

分片与组装
MTU对报文的大小做了限制，规定最大1500字节，如果发出的过大，网络层就需要分片交付，到达目标网络层完成拼接

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，那么每一个片里的id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，没想好以后用不用），第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，ip模块会丢弃报文，第三位标识“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片位置为1，其他为0是一个结束标记
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报文中哪个位置，实际便宜的字节数是这个值*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）

如何知道分片了
如果分片了，那么片偏移不等于0，或者更多分片等于1

如何分片
比如一个3000字节的报文，超过了1500，需要分片，先将头部1500字节取出来，设置片偏移为1，然后第二个分片取1480字节，设置报头更多分片1，偏移1500，拼接上去，最后部分添加报头，设置偏移2980，更多分片为0表示结束。这三个标识id是统一的

如何组装
根据偏移排序，去掉除第一个报文的报头，拼接数据。丢弃哪一个都可以通过偏移和标志查出来。如果丢了一个就要全部重发。所以不建议分片，会增加丢包概率

5. 网段划分（重要）

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

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不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
如果在子网中新增一台主机，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的其他主机重复

路由器本质也是特定一个子网的主机，也要配置ip地址。一定要至少连接2个子网，也就相当于同时在两个子网，暂时认为路由器有多张网卡就行，路由器可以配置多个ip的。一般是一个子网中第一台设备，一般它的ip地址都是：网络号.1，路由器不仅可以进行ip报文的转发，还可以构建子网（局域网）

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

ipv4是4字节的，最多只有42亿个，属于有限的资源，所以需要对ip资源合理的分配

五类划分

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（该图出自[TCPIP]）
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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6万五千多个主机，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

CIDR

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
子网掩码为1，表示对应网络位，0表示主机位
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

下面举两个例子：
划分子网的例子1
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划分子网的例子2
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可见，子网掩码和ip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

子网掩码可以对ip32位，进行任意划分，内网建设，比如B类主机号16位太多了，可以划出12位给网络，剩下4位作为主机号

6. 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
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

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7. 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，每个主机都需要一个ip地址。这意味着，一共有43亿台主机接入网络吗？实际上，由于一些特殊的ip地址存在，数量远远不足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（后面重点介绍）
ipv6：ipv6并不是ipv4的简单升级版，这时互不相干的两个协议，彼此病不兼容，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

8. 私有ip地址和公网ip地址

理解运营商和全球网络

我们是怎么上网，通过调试解调器将模拟光电信号转为数字信号，再交给路由器，路由器构建了局域网，网络在运营商上网需要账号密码，交钱。路由器的管理也有一个账号密码。每个国家的基站等网络都是由运营商和国家完成的

全球网络中，将ip按国家进行了划分。每个国家和地区都有自己的ip地址段。在国内，再次划分，每个ip地址还包含了省和市网段的匹配的信息，市的定位不一定准确。如果别国想访问国内的一台主机，先拿目标ip在全球范围的路由器对比，发现是中国的，然后再交由国内的路由器，判断子网掩码后的所属，到省，到市，一直往下
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数据发送过程

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RFC1918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65536个地址
包含在这个范围内，都称为私有ip，其余的则称为全局ip（或公网ip）

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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
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/腾讯云上购买

比如上面192.168.1.201主机想访问一个ip是201,100,1，1的公网，它自己是私有ip，所以到达自己所在的路由器后要替换，将源ip替换为路由器的WANip，就是10.1.1.2，由家用路由器再发送给运营商路由器，源ip是它的子网，继续替换为122.77.241.4，这个过程可能会重复，直到有一个路由器发送到广域网中，以省为例，判断这个ip是不是国内的，是就转给这个省，不断向下，根据目的ip就可以确定发送的主机

nat路由器在这个替换过程中会保存映射关系，当数据要发送回来的时候，不断还原ip

大企业的网络也由内网构成，但会提供一个公网路由器

9. 路由

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，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
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ip数据报的传输过程和纹路一样，当ip数据报，到达路由器时，会先查看目的ip。路由器决定这个数据报时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
那么如何判定这个数据包该发送到哪里？每个节点内部维护一个路由表

当路由器找路时，不会出现不知道的情况，那样数据就无法发送了。会有下面的结果：
给你具体下一跳的路
路由器不清楚，但转入默认路由器
到达入口路由器

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路由表

可以用route命令查看
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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们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其他行都不匹配时，就会按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址

假如某主机网络接口配置和路由表如下：
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这台主机由两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络，另一个网络镰刀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标志标识此条目有效（可以禁用某些条目），G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，不闭经路由器转发

转发过程例1，发送数据报目的192.168.56.3
跟第一行的子网掩码左与运算的到，192.168.56.0，与第一行目的网络不符
第二行同样计算，正式第二行的目的网络，经由eth1接口发送。是与eth1接口直连的网络，可以直接发到目的主机，不需要转发

转发过程例2，发送数据包目的202.10.1.2
和前几项对比都不是
按缺省条目，从eht0发乎，去往192.168.10.1路由器，由这个路由器根据它的路由表决定如何发