TCP/IP协议族的网络层基础（1）——网段划分

    网络层实现数据包的选路和转发。WAN（广域网）通常使用众多分级的路由器来连接分散的主机或LAN（局域网），因此通信的两端通常不是直接相连的，而是通过多个中间节点（路由器）连接的。

    网络层的任务就是选择这些中间节点，以确定两台主机之间的通信路径。同时，网络层对上层协议隐藏了网络连接的细节，使得在传输层和网络应用程序看来，通信的双方是直接相连的。     

下面三个名词的概念需要区分一下：

• 主机：配有IP地址，但不进行路由控制的设备
• 路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制的设备
• 节点：主机和路由器的统称

    网络层最核心的协议就是IP协议（Internet Protocol，因特网协议）。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器，并将数据包交付给路由器来转发。多次重复这个一跳一跳的过程，最终将数据包交送给目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。

    网络层另一个重要的协议是ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议），它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。

    本文先来了解一下网络层的IP地址是怎么来划分的。

IP地址分为网络号和主机号

• 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其他的主机重复

DHCP（自动分配IP）：能够自动地给子网内新增主机节点分配IP地址的一门技术，一般的路由器都有DHCP功能，因此路由器也可以看做是一个DHCP服务器。

路由器的插口的名称

WAN口：插宽带的口    LAN口：插网线的口

下图是之前提出的一种划分网络号和主机号的方式，现在已经不用了，ABCDE类的前几位都是有规律的

              

为什么现在不用，是因为大多组织申请B类网络地址，导致B类很快就分配完，A类却浪费了大量地址

针对以前的这种分配地址的方式，现在用的是CIDR的划分方案

• 引入了一个额外的子网掩码（subnet mask）来区分网络号和主机号
• 子网掩码是一个32位的正整数，通常用一串“0”来结尾
• 将IP地址与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

划分子网的例子1

IP地址	140.252.20.68	8C FC 14 44
子网掩码	255.255.255.0	FF  FF FF 00
网络号	140.252.20.0	8C FC 14 00
子网地址范围	140.252.20.0-140.252.20.255

划分子网的例子2

IP地址	140.252.20.68	8C FC 14 44
子网掩码	255.255.255.240	FF FF FF F0
网络号	140.252.20.64	8C FC 14 40
子网地址范围	140.252.20.64-140.252.20.79

特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设为0，就是网络号，表示这个局域网
• 将IP地址中的主机地址全部设为1，就称为了广播地址，用于给同一链路中相互连接的所有主机发送数据包（ARP协议中就用到了）
• 127.*的IP地址通常用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1

增加IP地址数量的方法

• 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（重要），这在之后的文章中会有讲到
• IPv6：与IPv4是两个互不相干的协议，它用16字节的128位来表示一个地址

私有IP地址和公网IP地址

• 10.*：前8位是网络号，后24位用来表示主机号，一共是2^24=16777216个地址
• 172.16--172.31.：前12位是网络号，一共是2^20=1048579个地址
• 192.168.*：前16位是网络号，共65536个地址
• 包含在这个范围中的，都称为私有IP，其余的全是公网IP

• 一个路口器可以配置两个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，但是不同子网之间的IP的地址就可以重复了（如上图）
• 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地址进行转换（替换成WAN口IP），这样逐级替换，最终数据包中的IP地址称为一个公网IP。这种技术称为NAT（网络地址转换）
• 如果希望自己的服务器，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