Linux网络编程：网络层协议IP-优快云博客

双方在进行网络通信时，发送的数据并不是直接从一方的传输层直接发送到了另一方的传输层，而是需要传输层将数据继续向下进行交付，在网络层和链路层经过数据封装（网络层封装的是目的IP地址，链路层封装的是下一个路由节点的地址）后再通过网络发送到对方主机，对方主机收到数据后也同样需要在链路层和网络层进行数据解包，此时对方的传输层才拿到了发送过来的数据，然后再继续将该数据向上进行交付。

网络通信的过程，就像两个人在送互相送数据，这两个人分别在两栋楼的四楼，如果一个人要将数据交给对方，那么这个人就必须先从四楼走到一楼，然后再在路上经过路径选择到达对方楼下，最后再上到四楼将数据交给对方。

其中，送数据的这个人从四楼下来的过程就是数据封装的过程，这个人在路上经过路径选择到达对方楼下的过程就是数据路由的过程，而这个人再上到四楼将数据交给对方的过程就是数据解包的过程。

而网络层要解决的问题就是，将数据从一台主机送到另一台主机，也就是数据的路由。

如何保证数据能够从一台主机发送到另一台主机

在网络层有能力将数据送到对方主机的情况下，虽然网络层不能保证每次都能将数据成功送到对方主机，但在TCP提供的可靠性策略的保证下，最终网络层就一定能够将数据可靠的发送到对方主机。

一旦发送方有了将数据发送给对方的能力，就算发送方某次发送的数据没有成功到达对方，此时上层TCP由于没有收到对应数据的应答，此时上层TCP会要求进行数据重发，直到数据成功发送到对方主机为止。

说明：

网络层解决的问题是，将数据从一台主机送到另一台主机，因此网络层解决的是主机到主机的问题。
一方传输层从上方进程拿到数据后，该数据贯穿网络协议栈进行封装和解包，最终到达对方传输层，此时对方传输层也会将数据向上交给对应的进程，因此传输层解决的是进程到进程的问题。

基本概念

主机: 配有IP地址, 也要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;

路径选择

数据进行的网络传输一般都是跨网络的，而路由器就是连接多个网络的硬件设备，因此数据在进行跨网络传输时一定需要经过多个路由器。

确定数据路由的目的地后（封装网络层目的IP地址），数据就可以在网络中进行路由了，但数据在路由时无法自行进行路径选择，因为这个数据本身是“不认识路”的，因此数据在路由的过程中需要不断“找路人问路”，而这里所谓的“路人”就是网络当中的一台台路由器。

网络当中的路由器是“认识路的”，它们将自己的“认路经验”都记录到路由表当中，因此路由器可以通过查路由表找到去特定点的最短路径。因此数据在路由时，会不断通过路由器来进行路径选择（链路层封装下一个路由的地址，数据在网络中路由的时候链路层会不断解包与封装），以此来一步步靠近目标网络或目标主机。

IP协议

IP协议全称为“网际互连协议（Internet Protocol）”，IP协议是TCP/IP体系中的网络层协议。

IP协议格式

-4位版本号（version）：指定IP协议的版本（IPv4/IPv6），对于IPv4来说，就是4。
-4位首部长度（header length）：表示IP报头的长度，以4字节为单位。
-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。比如对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要，而对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
-16位总长度（total length）：IP报文（IP报头+有效载荷）的总长度，用于将各个IP报文进行分离。
-16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片对应的id都是相同的。
-3位标志字段：第一位保留，表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。第三位表示“更多分片”，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，则除了最后一个分片报文设置为0以外，其余分片报文均设置为1。
-13位片偏移（framegament offset）：分片相对于原始数据开始处的偏移，表示当前分片在原数据中的偏移位置，实际偏移的字节数是这个值× 8 \times 8×8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位首部检验和：使用CRC进行校验，来鉴别数据报的首部是否损坏，但不检验数据部分。
-32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端所对应的IP地址。
选项字段：不定长，最多40字节。

IP报头在内核当中本质就是一个位段类型，给数据封装IP报头时，实际上就是用该位段类型定义一个变量，然后填充IP报头当中的各个属性字段，最后将这个IP报头拷贝到数据的首部，至此便完成了IP报头的封装。

IP协议报头和有效载荷如何分离？

IP分离报头与有效载荷的方法与TCP是一模一样的，当IP从底层获取到一个报文后，虽然IP不知道报头的具体长度，但IP报文的前20个字节是IP的基本报头，并且这20字节当中涵盖4位首部长度。

因此IP是这样分离报头与有效载荷的：

当IP从底层获取到一个报文后，首先读取报文的前20个字节，并从中提取出4位的首部长度，此时便获得了IP报头的大小s i z e sizesize。
如果size的值大于20字节，则需要继续从报文当中读取size−20字节的数据，这部分数据就是IP报头当中的选项字段。
读取完IP的基本报头和选项字段后，剩下的就是有效载荷了。
IP就是通过这种“定长报头+自描述字段”的方式进行报头和有效载荷的分离的。但需要注意的是，IP报头当中的4位首部长度描述的基本单位与TCP报头当中的4位首部长度一样，都是以4字节为单位进行描述的，这也恰好是报文的宽度。

4位二进制的取值范围是0000 ~ 1111，因此IP报头的最大长度为15 × 4 = 60 字节，因为基本报头的长度是20字节，所以IP报头中选项字段的长度最多是40字节。如果IP报头当中不携带选项字段，那么IP报头的长度就是20字节，此时报头当中的4位首部长度字段所填的值就是20 ÷ 4 = 5 ，即0101。

IP如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

基于IP协议的传输层协议不止一种，因此当IP从底层获取到一个报文并对其进行解包后，IP需要知道应该将分离后得到的有效载荷交付给上层的哪一个协议。

在IP报头当中有一个字段叫做8位协议，该字段表示的就是上层协议的类型，IP就是根据该字段判定应该将分离出来的有效载荷交付给上层的哪一个协议的。该字段是发送方的IP层从上层传输层获取到数据后填充的，比如是上层TCP交给IP层的数据，那么该数据在封装IP报头时的8位协议填充的就是TCP对应的编号。

32位源IP地址和32位目的IP地址

IP报头当中的32位源IP地址和32位目的IP地址，分别代表的就是该报文的发送端和接收端对应的IP地址。

数据在网络传输过程中会遇到一个个的路由器，这些路由器会帮助网络当中的数据进行路由转发，使得网络中的数据慢慢趋近于目标主机。路由器在帮助数据进行路由转发时，会提取出该数据的IP报头当中的目的IP地址，并以此作为数据路由转发的重要依据。

当接收端收到了发送端发来的数据后，接收端可能也想要给发送端发送数据，因此发送端在发送数据时除了需要指明该数据的目的IP地址，还需要指明该数据的源IP地址，也就是发送端的IP地址。即便接收端收到数据后没有数据想要发送给发送端，但至少接收端需要向发送端发送一个响应报文，表明发送端发送的数据已经被接收端可靠的收到了，因此发送出去的数据除了需要指明该数据的目的IP地址，还需要指明该数据的源IP地址。

理解socket编程：

1.在进行socket编程的时候，当一端想要发送数据给另一端时，必须要指明对端的IP地址和端口号，也就是发送数据的目的IP地址和目的端口号。
2.其中这里的IP地址就是给网络层的IP用的，用于数据在网络传输过程中的路由转发，而这里的端口号就是给传输层的TCP或UDP用的，用于指明该数据应该交给上层的哪一个进程。
3.发送数据时我们不需要指明发送数据的源IP地址和源端口号，因为传输层和网络层都是在操作系统内核当中实现的，数据在进行封装时操作系统会自行填充上对应的源IP地址和源端口号。

8位生存时间

报文在网络传输过程中，可能因为某些原因导致报文无法到达目标主机，比如报文在路由时出现了环路路由（死循环）的情况，或者目标主机已经异常离线了，此时这个报文就成了一个废弃的游离报文。

为了避免网络当中出现大量的游离报文，于是在IP的报头当中就出现了一个字段，叫做8位生存时间（Time To Live，TTL）。8位生存时间代表的是报文到达目的地的最大报文跳数，每当报文经过一次路由，这里的生存时间就会减一，当生存时间减为0时该报文就会被自动丢弃，此时这个报文就会在网络中消散。

数据链路层解决的问题

IP能够将数据跨网络从一台主机送到另一台主机，而数据在进行跨网络传送时，需要经过一个个的路由器进行路由转发，最终才能到达目标主机。

比如要将数据从主机B跨网络传送到主机C，那么主机B需要先将数据交给路由器F，路由器F再将数据交给路由器G，…，最终由路由器D将数据交给主机C。

因此IP进行数据跨网络传送的前提是，需要先将数据从一个节点传送到和自己相连的下一个节点，这个问题实际就是由IP之下的数据链路层解决的，其中数据链路层最典型的代表协议就是MAC帧。

而两个节点直接相连也就意味着这两个节点是在同一个局域网当中的，因此要讨论两个相邻节点的数据传送时，实际讨论的就是局域网通信的问题。

网段划分

IP地址构成

IP地址由网络号和主机号两部分构成：

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。
可以在IP地址的后面加一个 /，并在 / 后面加上一个数字，这就表示从头数到第几位为止属于网络标识（子网掩码）。

对于网络标识来讲，同一网段内主机的网络标识是相同的，不同网段内主机的网络标识是不同的。而对于主机标识来讲，同一网段内主机的主机标识是不同的，不同网段内主机的主机标识是可以相同的。

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。

DHCP协议

实际手动管理IP地址是一个非常麻烦的事情，当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址，当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收，便于分配给后续新增的主机使用。

因此对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）技术。
DHCP通常被应用在大型的局域网环境中，其主要作用就是集中地址管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。
DHCP是一个基于UDP的应用层协议，一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作一个DHCP服务器。

当我们连接WiFi时需要输入密码，本质就是因为路由器需要验证你的账号和密码，如果验证通过，那么路由器就会给你动态分配了一个IP地址，然后你就可以基于这个IP地址进行各种上网动作了。

先找目标网络，再找目标主机

当IP要将数据跨网络从一台主机发送到另一台主机时，其实不是直接将数据发送到了目标主机，而是先将数据发送到目标主机所在的网络，然后再将数据发送到目标主机。

因此数据在路由时的第一目的并不是找到目标主机，而是找到目标网络所在的网络，然后再在目标网络当中找到目标主机。

数据路由时之所以不一开始就以找目标主机为目的，因为这样效率太低了。

找主机的过程本质是排除的过程，如果一开始就以找目标主机为目的，那么在查找的过程中一次只能排除一个主机。
而如果一开始先以找目标网络为目的，那么在查找过程中就能一次排除大量和目标主机不在同一网段的主机，这样就可以大大提高检索的效率。

因此，为了提高数据路由的效率，我们对网络进行了网段划分。

网段划分

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，就是把所有IP地址分为五类，如下图所示：

当要判断一个IP地址是属于哪一类时，只需要遍历IP地址的前五个比特位，第几个比特位最先出现0值，那么这个IP地址对应就属于A、B、C、D、E类地址。

• 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

子网划分

子网划分的本质就是，就是在原来网段划分的基础上，将一部分主机号也看作网络号，从而进一步的子网划分。

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 Interdomain Routing)(⽆类别域间路由):

• 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;

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

特殊的IP地址

并不是所有的IP地址都能够作为主机的IP地址，有些IP地址本身就是具有特殊用途的。

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。

本地环回的基本原理

本机环回会将数据贯穿网络协议栈，但最终并不会将数据发送到网络当中，相当于本机环回时不会将数据写到网卡上面。

本机环回的目的就是将数据自顶向下贯穿协议栈，进行一次数据封装的过程的过程，然后再自底向上贯穿协议栈，进行一次数据的解包和分用，用于测试本地的网络功能是否正常。

本机环回的基本原理：

1.当数据到达IP层需要继续向下交付时，如果是环回程序，那么IP输出函数会将该数据放入到IP输入队列当中，然后再由IP输入函数读取上去。
2.而IP输入函数将数据读取上去的本应该是链路层交付上来的数据，因此该数据后续就会被当作从网络中读取上来的数据看待，各层协议会对该数据依次进行解包和分用。
3.如果不是环回程序的话，那么接下来就会判断该数据对应的目的IP地址是否为广播或多播地址，或者目的IP地址是否与本主机的IP地址相同，如果是则也会将该数据放入到IP输入队列当中，等待IP输入函数将其读走。
4.只有判断程序不是环回程序，并且也不是广播或多播，或发给本主机的数据后，才会用ARP获取该数据目的主机的以太网地址并进行后续数据发送的操作。

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.（相当于主机是房子，网卡是房子的多个入口）

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(后续博客重点介绍);

• 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

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(或公⽹IP);我们平时所能接触到的网络都是私有IP的。

路由器不仅有路由功能，还具有组建局域网的功能

• 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，WAN口IP就是上一级的子网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/腾讯云上进⾏购买.

那路由器的子网都是相同的，我怎么知道我要发送到数据的主机在哪个路由器？

只需要知道目标主机的公网IP地址（即它连接的路由器的WAN口地址）。这个地址是全球唯一的。

互联网的核心路由系统会像全球邮政系统一样，根据这个公网IP将数据包送到正确的路由器门口。
最后，由那台路由器通过NAT/端口转发规则，负责把数据包交给内部正确的、IP地址可能重复的主机。

以酒店和酒店房间号为例，内网IP地址（192.168.x.x, 10.x.x.x）之所以可以全球重复，正是因为它们就像酒店房间号，只在本地（同一个路由器下）有意义。一旦要进行全球通信，就必须使用唯一的“酒店街道地址”（公网IP）来定位。

这也解释了为啥私网IP不能放到公网里：

1.不同的局域网中主机的IP地址可能是相同的，所以私网IP无法唯一标识一台主机（私网IP只在私网内有意义），因此不能让私网IP出现在公网上，因为IP地址要能唯一标识公网上的一台主机。
2.但由于IP地址不足的原因，我们不能让主机直接使用公网IP而让主机使用私网IP，因为使用私网IP可以让我们可以在不同的局域网使用相同的IP地址，缓解了IP的不足。
3.此外，我们不能直接使用公网IP还有一个原因就是，因为我们的数据包必须要经过运营商的路由器，如果我们发送的数据直接到了公网，那也就意味着我们再也不用交网费了，这是不现实的。

私网IP可以相同，如果两个私网IP相同，但是处在不同局域网的主机通信，填写报文的时候源IP地址和目的IP地址都是相同的，不就发不出去了么？

设计者也考虑到了这点，应对策略就是NAT（网络地址转换）

我们享受的是互联网公司提供服务，但为什么需要向运营商交钱呢？

实际网络通信的基础设施都是运营商搭建的，我们访问服务器的数据并不是直接发送到了对应的服务器，而是需要经过运营商建设的各种基站以及各种路由器，最终数据才能到达对应的服务器。
因为运营商为我们提供了通信的基础设施，所以我们交网费实际就相当于购买入网许可一样。
没有运营商提供的这些基础设施，就不会诞生所谓的互联网公司，因为互联网公司是诞生在网络通信基础之上的。
也就是说，用户上网的数据首先必须经过运营商的相关网络设备，然后才能发送到互联网公司对应的服务器。因此所谓的网段划分、子网划分等工作实际都是运营商做的。

以前我们村里也上不了网，后来村子里有中国移动啊这种店了，后来就有网了。