Linux网络 | 网络层IP报文解析、认识网段划分与IP地址

前言：本节内容为网络层。主要讲解IP协议报文字段以及分离有效载荷。另外，本节也会带领友友认识一下IP地址的划分。那么现在废话不多说，开始我们的学习吧！！

ps：本节正式进入网络层喽，友友们传输层理解了吗？

认识IP协议

IP协议的报头

报头和有效载荷如何分离

四位版本

八位服务类型

十六位总长度

32位源IP和32位目的IP

网段划分

网络号主机号

子网掩码

特殊的IP地址

分析IP地址不足问题

私有IP和公有IP

ifconfig查看IP地址

认识IP协议

之前已经能做到，将数据从上层拷贝到tcp缓冲区当中，这个是应用层要做的事情。然后我们也能在传输层进行传输控制，比如提供可靠性策。但是真正进行传输，真正进行办事的其实是网络层，也就是IP协议。所以，IP协议的本职工作:提供一种能力，将数据跨网络从A主机送到B主机。

同时，用户也需要这种能力:将数据可靠的跨网络从A主机送到B主机。

看下面一张图，利用学生学习的例子来理解一下IP的工作：

我们的信息从一台主机发送到另一台主机，要经过很多路由器，所以就要对这些主机进行标识。对源IP地址和目的IP来标识源主机和目的主机。

IP地址就类似于唐僧西天取经，有目标城市，有目标地址，还有目标人物。

实际上任何一个主机都是在一个子网当中的，假如下面的圆圈就是子网，下面的放框框就是一个一个的路由器。菱形就是子网中一个一个的主机。假如说有一个主机A想要将数据发送到B主机。

既然要发送，那么就一定要跨越很多的路由器子网。这就是路由器转发。转发的过程中，一定是先到达目标网络(IP地址的构成 = 目标网络 + 目标主机），即目标主机所在的局域网。然后再交给目标主机。

其实，这个IP地址就类似于学号。我们的学号是不是被精心涉及过的，是不是有类似于：学员编号 + 专业编号 + 班级编号 + 学生序号？这个学号我们可以简化一下:学号 = 学院 + 序号
如下图是学院编号：

然后每个学院都有自己的编号，比如001， 002等。所以组合起来，就比如计算机学院的001号学生。所以学号就是111001。

假如我是计算机的，假如我今天找到了一个钱包，这个钱包不知道是谁的，只有一个学号，比如说115008。那么我们就去食堂一个一个的问，看看是谁的。这个问的过程，就是查找。而查找的本质是排除。这个一个一个问本质是线性遍历，效率太低。

所以我就想到了学生会主席，学生会主席就是管理这个的，所以，我今天就将这个钱包拍了照片，让学生会主席去办事。所以，学生会主席就将钱包拿到一看，是115开头。说明是电气的，所以学生会主席就将钱包拿到了电器那边。让电气的学生会主席将钱包给他们学院的学生。

这个故事里面，钱包就是数据。我就是主机A，那个丢钱包的就是主机B。然后学生会主席就是路由器。主机A将钱包发给计算机的路由器，计算机的路由器将钱包发给电气的路由器。电气的路由器再把钱包发给主机B。

为什么这个过程找到目标主机变快了呢。一这是因为主机A把数据给计算机路由器，是把计算机学院里面的所有主机全部淘汰了，一下子就淘汰了一群人。然后计算机路由器是把所有的路由器中的其他路由器淘汰了。直接找到电气路由器。电气路由器又是把电气学院的所有主机都淘汰了一下子找到了主机B。查找的本质是排除，所以这个方法，是淘汰的速度变快了。

所以，IP = 目标网络 +目标主机。本质上是为了让定位更加快速。

IP协议的报头

报头和有效载荷如何分离

IP协议报头和有效载荷分离的方法就是：固定长度+自描述字段

这个固定长度就是四位首部长度。假设四位首部长度的大小是x，那么x*4 = 真实报头。所以如果标准报头是20个字节，那么这个四位首部长度最少就是5。最多是二进制全1，即15。上面的自描述字段其实就是十六位总长度字段(后面讲解)。

到时候就是IP协议的报头（除去选项）的长度固定20字节。只拿四位首部长度的部分和十六位总长度的部分。就能将报头和有效载荷进行分离。

四位版本

对于IPv4来说，就是4位版本。
随着入网设备的增多，IPv4已经不足了。所以解决方案就有:NAT技术、IPv6。但是从根本上解决问题还是lpv6。只不过IPv6和IPv4是完全不兼容的。所以上面这是IPv4的报文。IPv6是128个比特位。

八位服务类型

3位优先级，四位TOS字段。和1位保留字段。四位TOS字段就表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

十六位总长度

报文的总长度。这个十六位总长度 + 4位首部长度就叫做自描述字段。UDP和TCP最终都要把数据交给IP层。无论是字节流还是数据报，所有的报文在IP层其实都是一个一个的数据报。所以，所谓的面向字节流的概念，只是TCP层以上的概念，不是IP层的概念。

32位源IP和32位目的IP

我们以前连接服务器，我们要使用IP地址和port。本质上其实就是socket套接字要用到port和IP地址。为什么？

为什么需要这两个数字，因为这两个数字就能定位我们的目标主机。其中TCP报头里面填充的是port，IP报头里面填充的是IP地址。——这就是为什么要将点分十进制ip转化为四字节。因为IP报头的源IP和目的IP是四个字节。所以当一个IP报文扔到网络里面的时候，真正要支持路由的其实是根据我们的32位目的IP地址来进行路径选择的。

在我们真正的通信过程之中，中间的路由器是没有TCP层的，只有双方主机是有TCP层的。(可以有，但是不需要，因为路由器只工作在网络层。)

网段划分

网段划分我们要分成两个部分进行理解。这里先认识一下网段划分。

网络号主机号

        其实IP地址分为两部分，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:同一个网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

这两个号是什么意思，就类似于学号 = 学院号 + 学生序号。网络号就是当前的局域网的编号，主机号就是代表这台主机在局域网当中的序号。所以，IP地址由两部分组成，以后拿到IP地址，就将IP作为两部分来看待，网络号 + 主机号。这里我们就要认识下面这几点:

1、路由器本质也是特定一个子网的主机，也要配置IP地址。
        2、路由器一定至少要连接2个子网，所以路由器也就相当于同时在两个子网。路由器那么就可以配置多个IP，并且一定会有多个IP。至少两个。——这里我们认为路由器有多张网卡就可以了。
        3、路由器一般是一个子网中的第一台设备，一般他的IP地址都是：网络号 + 1。 (大部分都是，但是有特殊情况)
        4、路由器的功能是IP报文的转发，但是并不仅仅如此。一个路由器还有很多功能，其中一个就是：构建子网(局域网)。

其实不同的子网就是把网络号相同的主机放到一起。
如果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。

子网掩码

IPv4是32位，其实就是2^32 = 42亿+。 ——》所以IP地址就是一种有限的资源。

因为是有限的资源，那么IP地址就要很好的管理起来。所以IP地址就被分为了网络地址和主机地址。其实以前有一种分类方法是五类划分法。就是有ABCDE类。

但是这种划分方式的缺点很快就显现出来了。大部分组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了。并且其中这16位主机号根本就用不完，所以就造成了大量的浪费。

针对这种浪费的情况，就提出了一种新的方案:子网掩码。叫做CIDR。

子网掩码也是一个32位正整数，通常用一串“0"来结尾。左侧以"1"开始。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。网络号和主机好的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关。

怎么用呢，就比如此时IP地址是140.252.20.68，子网掩码是255.255.255.0。

那么得到的网络号就是两个进行按位与。得到140.252.20.0，所以子网的范围就能知道了是140.252.20.0~140.252.20.255。

其中有两个IP地址不用，.0和.255。意思就是开区间。 140.252.20.0我们叫做网络号，140.252.20.255我们称为广播。

如果子网掩码是255.255.255240，那么得到的网络号就是140.252.20.64。这个就是网络号，即：140.252.20(十进制).0100 0000(二进制)。那么IP地址的范围就是：140.252.20.11110000~140.25220.0100 1111。所以，子网掩码，可以对IP32位，进行任意的划分。

特殊的IP地址

主机号全零是局域网；全1是广播。 127.0.0.1为本地环回。

分析IP地址不足问题

CIDR一定程度上缓解了IP地址的不足。但是并没有增加IP地址的上限。上面谈到的策略是分类+子网掩码。

所以就有了两种解决IP地址不足的方法:

动态IP地址分配：就是我们的电脑不想上网的时候，电脑是没有IP地址的。当想要入网的时候，就要先连接家里的路由器，然后路由器就动态分配了一个IP地址(这个是NAT技术，后面讲解）。
IPv6：真正的提高了上限。但是与IPv4严重不兼容。其实IPv6现在已经做的很好了，但是现在世界上为什么还是很少使用IPV6呢？因为TCP、IP协议栈是在操作系统内部的，意味着如果要将IPV4改编成IPV6，那么就要把世界上所有的终端设备全部切换成IPv6。给全世界上所有的操作系统换成IPV6，这个是不现实的。但是，如果使用IPV6的用户多于使用IPv4的用户时，那么就能改变lpv6的使用格局。我国是IPV6使用的最好的，当年零八年奥运会长内网就是使用的IPV6，要知道，我国的物联网也是非常发达的，一个地区的网络发达程度取决于什么?取决于用户，用户，说到底就是入网设备。以后智能设备一旦发展起来，那么入网设备将会大幅度增加。谁掌握的入网设备范围广，多，谁在网络领域就有话语权。所以，我国一旦将物联网的设备发展起来，什么只能电气，智能家居啥啥，那么哪个国家的入网备能比过中国？没有，而且我们平时是不是看到时那些大型的互联网公司，有些网站下面是不是都写着一个某某某支持IPV6技术，其实就是我国规定的，要让我们国家的所有入网设备全部支持IPV6技术，到时候物联网起来，就能快速更换成IPV6。就迅速拥有了天数的网民。