【Linux网络编程】网络层协议--IP协议

目录

网络层

 IP协议报头格式

网段划分 

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

运营商与NAT技术

全球网络简易划分

路由

路由生成算法 

IP报文的分片和组装

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网络层

网络层主要完成的工作是主机定位+路由选择

• 主机定位：IP地址是互联网中能够唯一标识一台主机(暂时这么理解)，网络层封装了IP地址，所以它发送完数据以后能知道，我的目的地在哪里，也就能够进行主机定位

• 路由选择：IP地址标识了数据转发的目的地，网络层可以根据目的地进行路径选择

网络层提供了一种能力，即可以把数据从主机B送到主机C的能力

• 所谓的能力，表示大概率能完成这个工作，但也有小概率可能完不成这个工作

网络层协议主要是IP协议 

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网络层与传输层之间的关系 

IP协议提供了数据从发送方到接收方的能力，但也有可能完不成这个工作，若完不成这个工作应该怎么办呢？

• TCP协议提供了主机之间传输数据时的可靠性保证，即发送方发送了数据，接收方一定能收到。这是通过数据重传实现的

• TCP/IP协议的组合使得数据可以可靠的从发送方到接收方！

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IP协议如何主机定位和报文转发 

实际上，我们所处的网络世界，是被精心设计过的，它是由无数个小的局域网/子网构成

这些子网通过路由器、交换机等网络设备相互连接，形成了复杂而庞大的网络体系。 

而我们使用的主机就是在子网中的一个终端设备

而IP协议要把数据从主机A送到主机B，首先得先找到主机B所在的子网。这个过程可能会路过多个子网。那么如何找到目的子网呢？

• 实际上就是通过IP地址找到，所以IP地址中一定有信息可以标识出主机B所在的子网

所以IP地址 = 目标子网 + 目标主机

所以整个转发过程：

• 先根据目的IP，进行局域网之间的转发

• 局域网内，进行内网转发

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 IP协议报头格式

• 32位源IP地址：表示发送方的IP地址，这个地址是网络序列，这也说明了为什么我们应用层的IP地址要转化为网络序列

• 32位目的IP地址：表示接收方的IP地址，这个地址也是网络序列！

• IP协议报头的标准格式(不含选项)是20个字节的，但由于是否有选项，有多少个都是不固定的，所以IP协议报头的大小也是不固定的。

• 4位首部长度：表示IP协议报头的大小，单位是4字节，所以报头大小范围是：[0,60]

• 4位版本：主要表示的是IP协议的版本，有IPv4与IPv6。IPv4是用32位表示源/目的IP，而IPv6是用128位表示源/目的IP，IPv4与IPv6不兼容！

• 8位服务类型：8位中的首3位是弃用的。还有1位是保留字段，这个字段必须为0。还有4为表示你的需求是什么。4 位分别表示: 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.

• 16位总长度：表示IP协议的报头+有效载荷的大小

• 8位生存时间(TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64。生存时间本质其实是一个计数器。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，即这个IP报文是交付给UDP or TCP层的

• 16位标识、3位标志、13位片偏移，这三个字段主要用于IP的分片和组装，在后面会详细介绍

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如何将IP报文的报头和有效载荷进行分离？

首先是通过固定20字节的标准报头格式，这使得分离时可以读取报头的基本信息。

若IP报头携带选项的话可以通过：（4位首部长度*4 - 20）得到

通过4位首部长度，还可以把报头和有效载荷进行分离

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分离后的IP报文如何向上交付 

 网络层协议向上交付，交付给的就是传输层，而传输层协议有很多(主要UDP/TCP)，通过IP报头中的8位协议就可以区分到底交付给传输层中的哪个协议！

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网段划分 

网段划分是什么？ 

IP地址分为两个部分，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; 

• 当代路由器除了进行路由转发之外，也可以用于构建子网(局域网)

• 图中网络标识为：192.168.128和192.168.144分别构建了自己的子网。(其中主机号为0的设备一般是构建子网的设备)

• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.

• 主机号只是在局域网当中唯一的，例如上图中192.168.144和192.168.128都有自己主机号为10的设备

• 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. 

所谓的网段划分，主要用于将大型网络划分为更小、更易于管理的部分，即子网（Subnet）。

网段划分主要依据IP地址中的网络标识来划分的！ 

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DHCP技术 

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. 

但若是由当前子网的网络管理员手动设置不同设备的主机号，是非常麻烦的。因为当一台设备不再连接该子网时需要手动pop，当有一个新设备连接时又需要手动push

• 有一种技术叫做 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

• DHCP技术也就是我们常说的动态IP地址分配

• 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. 

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 网段划分的方