网络层_IP

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原创 2024-03-20 20:13:32 2k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

传输层解决的是传输控制，而实际真正决定数据能否发送到对端的是网络层。网络层是有概率传输，而传输层是可靠性传输。所以传输层+网络层就可以做到将数据可靠发送到对端。网络层的常见协议有：IP、ICMP等，其中最重要的是IP协议，IP协议有IP4v和IPv6两种，目前用的最多的是IPv4.

一.IP协议

1.1 IP地址

一般每一个网卡都配有一个IP地址，而IP地址可以标识网络中的唯一一台主机，IP地址有网络号和主机号组成，按照网络号可以快速定位某一个主机在哪个网段，然后根据主机号进一步确认是哪个主机。

IPv4地址：32位，用点分十进制标识
IPv6地址：128位

环回地址：172.0.0.1 这个ip地址用于网络测试，从该ip发出的数据不会发送到网络中，而是贯穿自己的TCP/IP层，然后交给自己上层程序。

1.2 IP协议格式

4位版本：4-IPv4
4位首部长度：以4字节为单位，同TCP
8位服务类型：表示IP提供哪种类型的传输方式
- 最大吞吐量
- 最小时延：路径选择最近
- 最高可靠性：丢包概率最低路径路由
- 最小成本：
16位总长度：解决IP报文的粘包问题
16位标识：用于区分不同IP报文
3位标志：xxx 第一位x保留；第二位x如果为1表示不能分片，0可以分片；第三位x表示更多分片：如果为1，则表示该分片后有分片。
13位片偏移：该分片的数据在原始报文中的偏移量
8位生存时间：最多可以经过几次路由器转发
8位协议类型：交付给上层哪个协议，TCP or UDP
16位首部校验和

1.3 网段划分

如果用MAC地址在网络中定位某一台主机，那么我们就必须得一台一台主机查，这样查找效率无疑是很低的。如果用IP地址在网络中定位某一台主机，根据网络号把所有主机划分为若干子网，每个子网都有其子网号，这样要查找一台主机，先查找目标主机的网络号，然后再确定具体是该子网中的哪个主机。这样的查找效率是很高的。举个例子，根据你的学号来找你，一定先是确定你的学院，然后确定你的专业，然后确定你的班级，最后找到你，这样查找效率一定是比一个一个找高的。

路由器：

功能：构建子网，DHCP动态为当前子网内的主机分配IP地址

一般路由器就是你当前网段的入口主机，所以一般路由器的ip地址就是当前网段内的1号主机。例如：192.168.3.1 ，网络号：192.168.3，主机号：1。

Internet组织机构定义了五种IP地址，有A、B、C、D、E五类地址。但是由于这种划分子网的方式会导致大量的IP地址浪费，目前解决方案有CIDR，DHCP，NAT技术，IPv6。

CIDR方案：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;

模拟子网划分方式：在下面的划分方案中，只是为了弄清一些网络机制。

在两个网络之间，要有一个路由器，这个路由器至少包含有两个IP地址，一个是对内的，一个是对外的。划分到一定程度上，运营商不会按照上述这样一直增大子网掩码，而是建立一个私网。
公网IP与私网IP：
标志规定私网IP有三种，且不能出现在公网中。私有IP可以相同

10.x.x.x 大型局域网用的私网IP
192.168.x.x 小型局域网用的私网IP，比如一个家庭
172.16.x.x - 172.31.x.x 中型局域网用的私网IP，比如一个学校

任何一台路由器都有两个IP，私有IP（LAN口IP）和公网IP（WAN口IP）。当用户要给公网的一个主机发送消息时，由于私网IP不能出现在公网上，所以报文在经过当前局域网的出口路由器时会将报文的私有IP换为路由器的WAN口IP，然后传输到公网上，经过路由后找到对应的主机。这种技术就是NAT技术（源ip不断被替换）。

1.4 路由

IP数据包的转发是不断进行查找路由表的过程，通常一个路由器会直连两个子网，如果查找路由表发现目的IP地址不是这两个子网，路由器就会将该IP数据包转发到默认路由，进行下一次查找；如果查找路由器发现目的IP在级联的两个子网中，就会将该IP数据包发送给目的子网

路由表：route命令查看路由表

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;

1.5 分片与组装

由于MAC协议规定，一次传输的字节数（MTU）不超过1500字节。因此，如果IP数据包的大小超过1500字节，就要进行分片传送，然后到达对端主机的网络层再进行组装成一个完整的报文。在IP协议中有三个字段：16位标识，3位标志，13位片偏移。通过这三个字段可以实现对同一个包的分片进行组装。但IP数据包如果分片了，那么就会增加丢包概率，所以TCP向下交付的数据尽量不要过大，一般应该为1480。其中TCP报头20字节，有效载荷1460字节（MSS，最大段尺寸），最终加IP报头20字节，最后传输到数据链路层的总大小为1500字节。