[Linux][网络][网络层][IP协议]详细讲解

目录

  • 0.基本概念
  • 1.IP协议头格式
  • 2.IP分片与组装
    • 1.为什么要分片？
    • 2.分片后谁来组装？
    • 3.这个分片操作传输层知道吗？
    • 4.如何识别报文和报文的不同？
    • 5.接收端，如何得知报文是独立的还是一个分片？
    • 6.如何区别哪些分片是开始、中间、结尾？
    • 7.中间报文有多个，怎么保证收全了？分片后如何组装？
    • 8.分片一定好吗？是否分片是谁说了算？
  • 3.网段划分
  • 4.特殊的IP地址
  • 5.IP地址的数量限制
  • 6.私有IP地址和公网IP地址
  • 7.路由

0.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协议解决什么问题？
    • 提供一种能力，将数据从主机A送到主机B的能力

1.IP协议头格式

请添加图片描述

  • 4位版本号(version)：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4
  • 4位首部长度(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，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
      • 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
      • 具体选择分场合，比如：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
    • 1位保留字段(必须置为0)
  • 16位总长度(total length)：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，此时如果报文长度超过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
  • 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，其他报文的长度必须是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(不定长，最多40字节)：**略

2.IP分片与组装

  • 不同数据链路有个最大的区别，就是它们各自的最大传输单位(MTU：Maximum Transmission Unit)不同
    • MTU的值在以太网中是1500字节，在FDDI中是4352字节，而ATM则为9180字节
    • IP的上一层可能会要求传送比这些MTU更多字节的数据，因此必须在线路上传送比包长还要小的MTU
  • 为了解决这个问题，IP进行分片处理(IP Fragmentation)
    • 顾名思义，所谓分片处理是指，将较大的IP包分成多个较小的IP包
    • 分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层
      • 即：从IP的上次层看，它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU，而只需要按照源地址发送的长度接收数据包
    • IP就是以这种方式抽象化了数据链路层，使得从上层更不容易看到底层网络构造的细节

1.为什么要分片？

  • 因为数据链路层一次可以向网络里发送的数据大小是有限制的MTU：1500字节
    • **例如：**网络层收到1500个数据，向链路层传递时会添加ip报头20字节，超出1500字节，此时就要分片，分成1480和20，再分别加上ip报头20字节传给链路层
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2.分片后谁来组装？

  • 对端网络层

3.这个分片操作传输层知道吗？

  • IP分片和组装的行为，TCP是不知道、不关心的

4.如何识别报文和报文的不同？

  • 通过16位的标识
    • 不同报文，标识不同
    • 相同报文的分片，标识相同

5.接收端，如何得知报文是独立的还是一个分片？

  • 若 更多分片标志位0 && 13位片偏移0，则一定为独立报文
    if(报文->更多分片 & 0x1)
{
    return 分片;
}
else if(报文->片偏移 > 0)
{
    return 分片;
}
else
{
    return 独立报文;
}

6.如何区别哪些分片是开始、中间、结尾？

  • 开始：更多分片1，片偏移0
  • 中间：更多分片1，片偏移 != 0
  • 结尾：更多分片0，片偏移 != 0

7.中间报文有多个，怎么保证收全了？分片后如何组装？

  • 偏移量 + 自身大小 = 下一个报文的偏移量
  • 根据偏移量，来进行升序排序、结合
  • 扫描整个报文如果不匹配，则中间一定会有丢失的，如果成功计算到结尾，就一定收取完整了
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8.分片一定好吗？是否分片是谁说了算？

  • 分片行为不是主流，严重不推荐分片行为
    • 分片越多，则意味着越大的可能丢包
  • 是否分片由传输层决定，网络层说了不算
    • 只有传输层可以控制传输数据的大小

3.网段划分

  • IP地址分为两个部分

    • 网络号：保证互相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
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  • 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(Dynamic Host Configuration Protocol)，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

    • 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
      请添加图片描述

  • 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 Inter-domain 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

  • 目的IP & 当前路由器的子网掩码 = 该报文要去的目的网络

    • 因为不同的路由器一定至少要级联2个网络
    • 每一个网络的网络号可能是不同的
    • 每个路由器都要给自己直接链接的网络都要配置对应的子网掩码

  • 以下为两个例子
    请添加图片描述

  • 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
      • 网络号占据24个比特位

4.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
  • 将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
    请添加图片描述

5.IP地址的数量限制

  • IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数，那么一共只有2^32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，得到的IP地址不一定是相同的
    • NAT技术
    • IPv6：
      • IPv6并不是IPv4的简单升级版，这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容
      • 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

6.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(公网IP)
  • 一个路由器可以配置两个IP地址
    • WAN口IP：自己所在上级子网给自己分配的IP
    • LAN口IP(子网IP)：局域网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)
    请添加图片描述

7.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
      请添加图片描述

  • 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内部维护一个路由表

    • 为了将数据包发给目标主机，所有主机都维护着一张路由控制表(Routing Table)
    • 该表记录IP数据在下一步应该发给哪个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输
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  • 路由表可以使用route命令查看

    • 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
      • U标志表示此条目有效
      • 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
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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，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
      请添加图片描述

  • 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

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