网络层

在复杂的网络环境中确定一个合适的路径

IP 协议

• IPV4 点分十进制[0,255].[0,255].[0,255].[0,255]
• IPV6

IP地址=目标网格+目标主机

基本概念

• 主机:配有IP地址,但是不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。

两个问题

• 路径选择问题？ 网络层解决
• 如何将数据交给路由器？ 局域网通信问题，数据链路层

IP核心作用：
就是把数据包跨网络转发到主机上。
丢包的话，IP协议并不关心，由应用层TCP解决

TCP（策略问题）+IP协议（具体转发），共同解决主机距离变长的时候的核心问题。

协议头格式

IP 协议头部字段

• 4 位版本号(version)：指定 IP 协议的版本，对于 IPv4 来说，就是 4。
• 4 位头部长度(header length)：IP 头部的长度是多少个 32bit，也就是 length 4 的字节数。4bit 表示最大的数字是 15，因此 IP 头部最大长度是 60 字节。
• 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。对于 ssh/telnet 这样的应用程序，最小延时比较重要；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 数据报整体占多少个字节。
• 16 位标识(id)：唯一的标识主机发送的报文。如果 IP 报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个 id 都是相同的。
• 3 位标志字段：第一位保留(保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到)。第二位置为 1 表示禁止分片，这时候如果报文长度超过 MTU，IP 模块就会丢弃报文。第三位表示“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置为 0，其他是 1。类似于一个结束标记。
• 13 位分片偏移(framegament offset)：是分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 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。
• 16 位头部校验和：使用 CRC 进行校验，来鉴别头部是否损坏。
• 32 位源地址和 32 位目标地址：表示发送端和接收端。
• 选项字段(不定长，最多 40 字节)：略

网段划分(重要)

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。

问题：

• 子网内的IP地址，都是从哪里来的？谁给的？
  • 路由器是子网中第一个入网设备，路由器具有构建子网的能力，可以分配IP地址
• 子网划分，为什么？
  • 至此网络建设，本质上提高查找效率（查找的本质就是淘汰）

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。

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。

手动管理子网内的 IP 是一个相当麻烦的事情。

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。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。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有 IP 地址分为五类：

• A 类：0.0.0.0 到 127.255.255.255，7 位网络号，24 位主机号。
• B 类：128.0.0.0 到 191.255.255.255，14 位网络号，16 位主机号。
• C 类：192.0.0.0 到 223.255.255.255，21 位网络号，8 位主机号。
• D 类：224.0.0.0 到 239.255.255.255，多播组号。
• E 类：240.0.0.0 到 247.255.255.255，留待后用 。
  

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)：

• 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。

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）
网络地址范围	140.252.20.0~140.252.20.255（8C FC 14 00）

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 F0）
网络地址范围	140.252.20.64~140.252.20.79（8C FC 14 F0）

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 IP 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。

总结：

• IP地址==目标网络+主机地址
• 路由的本质就是网络

特殊的 IP 地址

• 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 。
  

IP 地址的数量限制

IP 地址是 32 位(4 字节)，而 4 个字节组成的正整数，那么一共有 (2^{32}) 个 IP 地址，大概是 43 亿(左右)。

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。

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，每次分配的 IP 地址不一定是相同的；
• NAT 技术(后面会重点介绍)。
• 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RFC1918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)。

• 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)，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。

路由

在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。

路由的过程，就是这样一跳一跳(Hop by Hop)“问路”的过程。所谓“一跳”就是数据链路层中的一个区间。具体在以太网中指从源 MAC 地址到目的 MAC 地址之间的帧传输区间。

IP 数据包的传输过程也和问路一样：

• 当 IP 数据包到达路由器时，路由器会先查看目的 IP。
• 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。
• 依次反复，一直到达目标 IP 地址。

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表。

• 路由表可以使用 route 命令查看。
• 如果目的 IP 命中了路由表，就直接转发即可。
• 路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：

• 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到 192.168.10.0/24 网络，另一个网络接口连到 192.168.56.0/24 网络。
• 路由表的 Destination 是目的网络地址，Genmask 是子网掩码，Gateway 是下一跳地址，Iface 是发送接口，Flags 中的 U 标志表示此条目有效(可以禁用某些条目)，G 标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有 G 标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发。

转发过程例 1：如果要发送的数据包的目的地址是 192.168.56.3

• 跟第一行的子网掩码做与运算得到 192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不相符。
• 再跟第二行的子网掩码做与运算得到 192.168.56.0，正是第二行的目的网络地址，因此从 eth1 接口发送出去。
• 由于 192.168.56.0/24 正是与 eth1 接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机，不需要经路由器转发。

转发过程例 2：如果要发送的数据包的目的地址是 202.10.1.2

• 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配。
• 按缺省路由条目，从 eth0 接口发出去，发往 192.168.10.1 路由器。
• 由 192.168.10.1 路由器根据它的路由表决定下一跳地址。

路由表生成算法(选学)

路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由)，也可以通过一些算法自动生成(动态路由)。请同学们课后自己调研一些相关的生成算法，例如距离向量算法，LS 算法，Dijkstra 算法等。