8. 網絡層

在復雜的網絡環境中確定一個合適的路徑.

1. IP協議

1. 基本概念

IP協議：提供一種能力(有非常大的概率，做到某事)，把數據報從主機A，跨網絡，送到主機B?

--> 必須要有方式，標識通信兩端唯一性！！(IP協議解決的是主機到主機的問題，進程到進程的問題有端口號) ---> 每臺主機都必須設置IP地址(公網IP)

主機: 配有 IP 地址, 但是不進行路由控制的設備;

路由器: 即配有 IP 地址, 又能進行路由控制;(理論工作在網絡層，而當代路由器，已經是一臺小型計算機了！是可以工作在應用層的)

節點: 主機和路由器的統稱

2. 協議頭格式

? 4 位版本號(version): 指定 IP 協議的版本, 對于 IPv4 來說, 就是 4. ? 4 位頭部長度(header length): IP 頭部的長度是多少個 32bit, 也就是 length 4
的字節數. 4bit 表示最大的數字是 15, 因此 IP 頭部最大長度是 60 字節. ? 16 位總長度(total length): IP 數據報整體占多少個字節. ? 16 位標識(id): 唯一的標識主機發送的報文. 如果 IP 報文在數據鏈路層被分片
了, 那么每一個片里面的這個 id 都是相同的. ? 3 位標志字段: 第一位保留(保留的意思是現在不用, 但是還沒想好說不定以后要
用到). 第二位置為 1 表示禁止分片, 這時候如果報文長度超過 MTU, IP 模塊就會丟
棄報文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的話, 最后一個分片置為 0, 其他是 1. 類
似于一個結束標記. ? 13 位分片偏移(framegament offset): 是分片相對于原始 IP 報文開始處的偏移. 
其實就是在表示當前分片在原報文中處在哪個位置. 實際偏移的字節數是這個值 8
得到的. 因此, 除了最后一個報文之外, 其他報文的長度必須是 8 的整數倍(否則報文
就不連續了). ? 8 位生存時間(Time To Live, TTL): 數據報到達目的地的最大報文跳數. 一般是
64. 每次經過一個路由, TTL -= 1, 一直減到 0 還沒到達, 那么就丟棄了. 這個字段主要是用來防止出現路由循環? 8 位協議: 表示上層協議的類型? 16 位頭部校驗和: 使用 CRC 進行校驗, 來鑒別頭部是否損壞. ? 32 位源地址和 32 位目標地址: 表示發送端和接收端. ? 選項字段(不定長, 最多 40 字節): 略

?1. IP報文，解包問題(封裝)

挪動指針即可增加/減少協議頭

2. 分用問題（8位協議表明有效載荷是什么數據）

?? 8 位服務類型(Type Of Service): 3 位優先權字段(已經棄用), 4 位 TOS 字段, 和
1 位保留字段(必須置為 0). 4 位 TOS 分別表示: 最小延時, 最大吞吐量, 最高可靠性,?
最小成本. 這四者相互沖突, 只能選擇一個. 對于 ssh/telnet 這樣的應用程序, 最小延
時比較重要; 對于 ftp 這樣的程序, 最大吞吐量比較重要.

3. 網段劃分(重要)

IP 地址分為兩個部分, 網絡號和主機號（IP = 網絡號? + 主機號）

???網絡號: 保證相互連接的兩個網段具有不同的標識;

???主機號: 同一網段內, 主機之間具有相同的網絡號, 但是必須有不同的主機號

???不同的子網其實就是把網絡號相同的主機放到一起.（路由器有構建子網的功能）

???如果在子網中新增一臺主機, 則這臺主機的網絡號和這個子網的網絡號一致, 但

是主機號必須不能和子網中的其他主機重復.

通過合理設置主機號和網絡號, 就可以保證在相互連接的網絡中, 每臺主機的 IP 地址都

不相同.

那么問題來了, 手動管理子網內的 IP, 是一個相當麻煩的事情.

? 有一種技術叫做 DHCP, 能夠自動的給子網內新增主機節點分配 IP 地址, 避免
了手動管理 IP 的不便. 
? 一般的路由器都帶有 DHCP 功能. 因此路由器也可以看做一個 DHCP 服務器.

過去曾經提出一種劃分網絡號和主機號的方案, 把所有 IP 地址分為五類, 如下圖所示

? A 類 0.0.0.0 到 127.255.255.255
? B 類 128.0.0.0 到 191.255.255.255
? C 類 192.0.0.0 到 223.255.255.255
? D 類 224.0.0.0 到 239.255.255.255
? E 類 240.0.0.0 到 247.255.255.255

隨著 Internet 的飛速發展,這種劃分方案的局限性很快顯現出來,大多數組織都申請 B 類網絡地址, 導致 B 類地址很快就分配完了, 而 A 類卻浪費了大量地址;

? 例如, 申請了一個 B 類地址, 理論上一個子網內能允許 6 萬 5 千多個主機. A 類
地址的子網內的主機數更多. 
? 然而實際網絡架設中, 不會存在一個子網內有這么多的情況. 因此大量的 IP 地址都被浪費掉了

?針對這種情況提出了新的劃分方案, 稱為 CIDR(Classless Interdomain Routing):

???引入一個額外的子網掩碼(subnet mask)來區分網絡號和主機號;

???子網掩碼也是一個 32 位的正整數. 通常用一串 "0" 來結尾;

???將 IP 地址和子網掩碼進行 "按位與" 操作, 得到的結果就是網絡號;

???網絡號和主機號的劃分與這個 IP 地址是 A 類、B 類還是 C 類無關

FF代表全是1；0：整個IP就是表示網絡號

子網地址范圍：這個子網內最多可以有多少臺主機。

可見,IP 地址與子網掩碼做與運算可以得到網絡號, 主機號從全 0 到全 1 就是子網的地

址范圍;

IP 地址和子網掩碼還有一種更簡潔的表示方法,例如 140.252.20.68/24,表示 IP 地址為

140.252.20.68, 子網掩碼的高 24 位是 1,也就是 255.255.255.0

子網劃分是指將一個較大的網絡分割成多個較小的網絡，也就是子網；why？--- 查找目標主機，必須先查找目標網絡：本質就可以淘汰其他網絡，可以在全網中提高查找目標主機的效率?

子網劃分的本質：把32位比特位進行劃分，確定網絡號有多少位！

目的

提高 IP 地址利用率：在沒有子網劃分時，A 類、B 類網絡可能會造成 IP 地址浪費。例如，一個 B 類網絡理論上可容納 65534 個主機，但實際使用中往往不需要這么多主機地址。通過子網劃分，可以根據實際需求將大網絡分割成若干小網絡，充分利用 IP 地址資源。
增強網絡管理和安全性：將網絡劃分為多個子網后，不同子網可以根據需要進行獨立管理，設置不同的訪問控制策略。例如，企業可以將辦公子網、服務器子網等分開管理，辦公子網對外部網絡訪問進行限制，而服務器子網對特定的內部主機開放，從而增強網絡安全性。

結論1：IP地址是有用的，是有限的，是資源 --- 各國運營商都在搶，為啥搶？要搭建國家子網?

4. 特殊的IP地址

???將 IP 地址中的主機地址全部設為 0, 就成為了網絡號, 代表這個局域網

???將 IP 地址中的主機地址全部設為 1, 就成為了廣播地址, 用于給同一個鏈路中相互連接的所有主機發送數據包;

???127.*的 IP 地址用于本機環回(loop back)測試,通常是 127.0.0.1

5. IP地址的數量限制

我們知道, IP 地址(IPv4)是一個 4 字節 32 位的正整數. 那么一共只有 2 的 32 次方個 IP 地址, 大概是 43 億左右. 而 TCP/IP 協議規定, 每個主機都需要有一個 IP 地址.

這意味著, 一共只有 43 億臺主機能接入網絡么?

實際上, 由于一些特殊的 IP 地址的存在, 數量遠不足 43 億; 另外 IP 地址并非是按照主機臺數來配置的, 而是每一個網卡都需要配置一個或多個 IP 地址.

CIDR 在一定程度上緩解了 IP 地址不夠用的問題(提高了利用率, 減少了浪費, 但是 IP

地址的絕對上限并沒有增加), 仍然不是很夠用. 這時候有三種方式來解決：

???動態分配 IP 地址: 只給接入網絡的設備分配 IP 地址. 因此同一個 MAC 地址的

設備, 每次接入互聯網中, 得到的 IP 地址不一定是相同的;

???NAT 技術(后面會重點介紹);

???IPv6: IPv6 并不是 IPv4 的簡單升級版. 這是互不相干的兩個協議, 彼此并不兼容; IPv6 用 16 字節 128 位來表示一個 IP 地址; 但是目前 IPv6 還沒有普及;

6. 私有IP地址和公網IP地址

公網的理解：公網IP -- 各個國家的運營商主動申請 -- 運營商不僅僅要組建內網，運營商，也要組建自己國家的公網環境 -- 一個區域，究竟能有多大的網絡，取決于自己有多少個公網IP -- 分配公網IP，是結合網民數量，按照地區劃分的

如果一個組織內部組建局域網,IP 地址只用于局域網內的通信,而不直接連到 Internet 上,理論上使用任意的 IP 地址都可以,但是 RFC 1918 規定了用于組建局域網的私有 IP 地址

? 10.*,前 8 位是網絡號,共 16,777,216 個地址
? 172.16.*到 172.31.*,前 12 位是網絡號,共 1,048,576 個地址
? 192.168.*,前 16 位是網絡號,共 65,536 個地址
包含在這個范圍中的, 都成為私有 IP, 其余的則稱為全局 IP(或公網 IP);

???一個路由器可以配置兩個 IP 地址, 一個是 WAN 口 IP, 一個是 LAN 口 IP(子網IP).

???路由器 LAN 口連接的主機, 都從屬于當前這個路由器的子網中.

??不同的路由器, 子網 IP 其實都是一樣的(通常都是 192.168.1.1). 子網內的主機 IP 地址不能重復. 但是子網之間的 IP 地址就可以重復了.

???每一個家用路由器, 其實又作為運營商路由器的子網中的一個節點. 這樣的運營商路由器可能會有很多級, 最外層的運營商路由器, WAN 口 IP 就是一個公網 IP 了.

???子網內的主機需要和外網進行通信時, 路由器將 IP 首部中的 IP 地址進行替換 (替換成 WAN 口 IP), 這樣逐級替換, 最終數據包中的 IP 地址成為一個公網 IP. 這種技術稱為 NAT(Network Address Translation，網絡地址轉換).

???如果希望我們自己實現的服務器程序, 能夠在公網上被訪問到, 就需要把程序部署在一臺具有外網 IP 的服務器上. 這樣的服務器可以在阿里云/騰訊云上進行購買

1.發送：

2.回來：

7. 路由

路由器本身就具有構建子網的能力-->給子網內所有主機分配IP的能力（任何路由器，都要配有至少配有兩個IP）

路由報文，本質是查找主機的問題！---> 查找本質，是一個淘汰的過程，只要淘汰效率高，查找效率就高

在復雜的網絡結構中, 找出一條通往終點的路線

路由的過程, 就是這樣一跳一跳(Hop by Hop) "問路" 的過程.

所謂 "一跳" 就是數據鏈路層中的一個區間. 具體在以太網中指從源 MAC 地址到目的 MAC 地址之間的幀傳輸區間.

?IP 數據包的傳輸過程也和問路一樣

???當 IP 數據包, 到達路由器時, 路由器會先查看目的 IP;

???路由器決定這個數據包是能直接發送給目標主機, 還是需要發送給下一個路由器;

???依次反復, 一直到達目標 IP 地址;

???路由表可以使用 route 命令查看

???如果目的 IP 命中了路由表, 就直接轉發即可;

???路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和發送接口兩部分組成,當目的地址與路由表中其它行都不匹配時,就按缺省路由條目規定的接口發送到下一跳地址。

?假設某主機上的網絡接口配置和路由表如下:

???這臺主機有兩個網絡接口,一個網絡接口連到 192.168.10.0/24 網絡,另一個網絡接口連到 192.168.56.0/24 網絡;

???路由表的 Destination 是目的網絡地址,Genmask 是子網掩碼,Gateway 是下一跳地址,Iface 是發送接口,Flags 中的 U 標志表示此條目有效(可以禁用某些條目),G標志表示此條目的下一跳地址是某個路由器的地址,沒有 G 標志的條目表示目的網絡地址是與本機接口直接相連的網絡,不必經路由器轉發;

轉發過程例 1: 如果要發送的數據包的目的地址是 192.168.56.3

???跟第一行的子網掩碼做與運算得到 192.168.56.0,與第一行的目的網絡地址不符

???再跟第二行的子網掩碼做與運算得到 192.168.56.0,正是第二行的目的網絡地址,因此從 eth1 接口發送出去;

???由于 192.168.56.0/24 正是與 eth1 接口直接相連的網絡,因此可以直接發到目的主機,不需要經路由器轉發;

轉發過程例 2: 如果要發送的數據包的目的地址是 202.10.1.2

???依次和路由表前幾項進行對比, 發現都不匹配;

???按缺省路由條目, 從 eth0 接口發出去, 發往 192.168.10.1 路由器;

???由 192.168.10.1 路由器根據它的路由表決定下一跳地址;

結論1：公網路由器的路由算發表和內網的路由算發表復雜度是不同的

8.?IP 分片和組裝的具體過程

???16 位標識(id): 唯一的標識主機發送的報文. 如果 IP 報文在數據鏈路層被分片了, 那么每一個片里面的這個 id 都是相同的.

???3 位標志字段: 第一位保留(保留的意思是現在不用, 但是還沒想好說不定以后要用到). 第二位置為 1 表示禁止分片, 這時候如果報文長度超過 MTU, IP 模塊就會丟棄報文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的話, 最后一個分片置為 0, 其他是 1. 類似于一個結束標記.

???13 位分片偏移(framegament offset): 是分片相對于原始 IP 報文開始處的偏移.其實就是在表示當前分片在原報文中處在哪個位置. 實際偏移的字節數是這個值除以 8 得到的. 因此, 除了最后一個報文之外(之前如果都是 8 的整數倍，最后一片的偏移量也一定是 8 的整數倍), 其他報文的長度必須是 8 的整數倍(否則報文就不連續了).

???注意：片偏移(13 位)表示本片數據在它所屬的原始數據報數據區中的偏移量

（以 8 字節為單位）

分片

如何甄別特定報文是否被分片了？--- 更多分片0 && 片偏移0 ！！！

a. 更多分片（MF）標志判斷

IP 首部中有個 “更多分片（MF）” 標志位。當 MF = 1 時，表明該報文是一個分片，且后續還有分片。因為如果報文被分片，只要不是最后一個分片，MF 位就會被置為 1 ，用于告知接收方還有后續分片。

b. MF 為 0 且片偏移大于 0 判斷

當 MF = 0 時，正常理解可能是未分片報文或最后一個分片。但如果此時片偏移（Fragment Offset ） > 0 ，說明該報文之前存在其他分片，即此報文是經過分片后的最后一個分片。因為片偏移表示該分片在原始報文中的位置偏移量，若片偏移大于 0 ，意味著前面有其他分片占據了原始報文靠前的位置，所以能判定報文經歷過分片。

保證分片收全的原理

標識字段：IP 首部的 16 位標識字段，發送方對同一原始報文的所有分片設置相同標識值。接收方據此識別屬于同一報文的分片并聚合。
片偏移字段：接收方依據片偏移確定分片順序。理論上，若按片偏移升序排列后，相鄰分片的片偏移與自身長度滿足 “片偏移 + 自身報文長度 = 下一個分片的片偏移”，且收到 MF（更多分片）標志為 0 的分片（表示無后續分片），可認為收全。但實際網絡中，若有分片丟失（如第一片、中間片、結尾片），就無法滿足上述條件，意味著未收全。

1. 檢查 MTU 限制：

￮當一個 IP 數據報的大小超過了網絡的 MTU（最大傳輸單元）限制時，就需要進行分片。MTU 是數據鏈路層對 IP 層數據包進行封裝時所能接受的最大數據長度。

2. 分割數據報：

￮ IP 層將原始的 IP 數據報分割成多個較小的片段。

￮對于每個片段，IP 層會設置相應的標識（Identification）、偏移量（Fragment Offset）和標志位（Flags）等字段。

￮標識字段用于標識屬于同一個數據報的不同分片，確保所有分片能夠被正確地重新組裝。

￮偏移量字段指示了當前分片相對于原始數據報的起始位置，以 8 字節為單位。

￮標志位字段包含了 3 個位，其中 MF（More Fragment）位用于指示是否還有更多的分片，DF（Do Not Fragment）位用于指示數據報是否允許進行分片。

3. 添加 IP 頭部：

￮每個分片都會加上自己的 IP 頭部，與完整 IP 報文擁有類似的 IP 頭結構，但 MF 和 Fragment Offset 等字段的值會有所不同。

4. 發送分片：

￮分片在傳輸過程中獨立傳輸，每個分片都有自己的 IP 頭部，并且各自獨立地選擇路由