Linux网络 · 网络层IP协议（一）：IPv4寻址、子网划分与数据包结构详解

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分类专栏： Linux网络编程文章标签：网络 linux tcp/ip

于 2025-01-31 00:19:38 首次发布

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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。

认识IP协议

TCP协议的工作是对数据传输进行可靠性控制。而真正进行传输数据的，其实是IP协议。IP协议的本职工作:将数据跨网络从A主机送到B主机。

所以， TCP + IP的作用就是: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：

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。)

认识IP地址

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:同一个子网内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

目标网络号是由子网掩码进行划分的。通过子网掩码划分成一个个的子网，每一个子网都有一个对应的网络地址，或者叫做网络号作为标记。

子网内部有着一台台主机，这些主机的序号，就是主机号。

网络号 + 主机号一起构成了IP地址。

就类似于下面这种情况：

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。

CIDR(无类域间路由)

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。

在IPv4的早期， IP地址就被分为了网络地址和主机地址。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:无类域间路由。叫做CIDR。

CIDR摒弃了这种分类方法，通过子网掩码来划分网络号，更加灵活。同时CIDR的表示方法为： IP地址/前缀长度。其中前缀长度就是网络号，后面的就是主机号。比如：192.168.0.10/24。这里面前24个比特位就是网络号，后8位是主机号。

网络号由子网掩码划分，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。

怎么用呢，就比如一个在子网掩码为：子网掩码是255.255.255.0的子网内的主机IP地址是140.252.20.68。

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。如果140.252.20.68用CIDR表示法为： 140.252.20.68/24。

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。

理解IP地址

下面的每一个圈，就代表了一个子网。方框框表示路由器。菱形表示主机。

然后每一个子网内部都有多个主机，不同子网之间通过路由器进行连接。

路由器上面有一个或者多个LAN口， LAN口配置上两个不同子网内的IP地址，就能连接两个不同的子网。这里路由器在配置的时候，配置的IP地址通常为子网内的第一个IP地址。就比如192.168.1.0/24这个子网。里面的可用IP地址范围为 192.168.1.1 ~ 192.168.1.254。所以，路由器就通常配置192.168.1.1为LAN口IP。

然后对于每一台主机，分配规则有动态分配和静态分配。静态分配也就是服务器这种不动的入网设备，一般由人工配置。动态分配就是手机这种，由路由器进行分配，只有当手机进行入网时，路由器才会自动的为它分配一个没有使用过的IP地址。

然后以后发送数据，就是主机A将数据发送给路由器，由路由器去找到目标主机所在的子网，然后把数据交给目标子网的网关路由器，这个路由器再把数据交给目标主机。

这里要注意，我们说的子网和局域网不是相同的概念。子网是确定的，精确的，由子网掩码来定义。而局域网则比较模糊，是物理上的逻辑概念。

特殊的IP地址

主机号全零是子网；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。