【Linux网络】网络基础：IP协议

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❀ IP协议

IP协议基本概念
协议头格式
分片与组装
网段划分
- 子网掩码
- 特殊的IP地址
IP地址的数量限制
私有IP地址和公网IP地址
路由
总结

前言：在当今这个瞬息万变的数字化时代，信息如同潮水般汹涌澎湃，而互联网作为这一信息洪流的主要载体，其重要性不言而喻。作为互联网技术的核心组成部分，IP（Internet Protocol，互联网协议）协议如同一套精密的交通规则，确保了数据在全球范围内的准确、高效传输。无论是我们日常浏览的网页、观看的视频、发送的电子邮件，还是企业间的远程协作、云计算服务，都离不开IP协议的默默支撑。

IP协议不仅仅是一个技术术语，它是连接物理世界与数字世界的桥梁，是构建现代信息社会不可或缺的基石。从最初的IPv4到如今的IPv6，每一次迭代都不仅仅是技术参数的升级，更是对互联网容量、安全性、灵活性等方面的深刻重塑。随着物联网、人工智能、5G通信等新兴技术的快速发展，IP协议正面临着前所未有的挑战与机遇，其重要性愈发凸显。

本文旨在带领读者深入探索IP协议的广阔天地，从基础概念出发，逐步揭开其神秘面纱。我们将一起回顾IP协议的发展历程，理解其工作原理，探讨IPv4与IPv6的差异及过渡策略

让我们携手踏上这段旅程，共同揭开构建数字世界基石——IP协议的神秘面纱，见证并参与这一伟大时代的变革与发展。

IP协议基本概念

IP协议，全称“Internet Protocol”，即互联网协议，是互联网通信的基础协议之一。它规定了数据包（也称为IP数据包）在网络中的传输方式，确保了数据能够从一个网络节点传输到另一个网络节点，无论这些节点位于世界的哪个角落。

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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

协议头格式

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第一层：

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（1111），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/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位总长度(total length)： IP数据报整体占多少个字节

第三层及以下：

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

第二层：

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，这时候如果报文长度超过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)： 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（ $2^3$ ）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)

分片与组装

在传输中，报文不一定是完整的，它可能在传输的过程中进行了分片，这里就要用到协议头格式的第二层的内容来让它们重新整合。分片之后，每一个分片都必须要收IP报头，需要通过报头属性来进行组装

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假设我们有一个3000的报文，我们该如何分片呢？

网段划分

IP地址分为两个部分：

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

如果在一个子网中新增一台主机，主机的网络号会和这个子网的网络号一致，但是主机号不会和该区域内的其他主机重复，这是唯一的，所以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

如果手动管理子网内的IP，这是很麻烦的事情，所以就有了DHCP
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

在之前有人提出了划分网络号和主机号的方案，将所有IP 地址分为五类：
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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

虽然理论上看着很合理，但是这种划分方案也有一定局限性，大多数组织都会去申请B类网址，导致B类快速分配完全，A类却还浪费了大量地址。在实际的网络架构中，并不会存在一个子网内有那么多主机存在的情况，大量IP地址都会被浪费掉，针对这种情况，提出了新的方案：CIDR，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

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

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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

子网划分：提高定位和查找主机的效率

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

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，但是由于特殊IP地址的存在数量是肯定不足43亿的，而且IP地址并非是按照主机台数来配置的，每一个网卡都要配置一个或多个IP地址

CIDR虽然可以一定程度上缓解IP地址不够的问题，但也只是杯水车薪，所以我们要另辟蹊径：

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(后面会重点介绍)
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

私有IP地址和公网IP地址

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

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(或公网IP)

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私有IP地址相当于内网IP，而内网IP不能出现在公网中，因此私有IP在不同的子网中是可以重复的，正是因为这样，大大缓解了IP地址不足的问题，又因为内网IP不能出现在公网中，所以我们在进行通信时，使用的是公网IP，路由器可以配置两个IP地址WAN口IP对外通信，LAN口IP对内通信

路由器：

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地址可以重复
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
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)

路由

路由（routing）是指分组从源到目的地时，决定端到端路径的网络范围的进程。简单来说就是从主机1到主机2走的路径，中途的路由器会判定能不能直接送达，不能则跳到下一个路由器，路由器能够根据目标地址信息，将数据包从源网络转发到目标网络，确保数据包能够快速准确地到达目的地。

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IP数据包的传输过程也一样：

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

路由表：
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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
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