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【LInux网络】网络层IP协议全面解析

news 2025/4/29 15:24:30

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文章目录

🏳️‍🌈一、基本概念
🏳️‍🌈二、协议头格式
🏳️‍🌈三、网段划分(重要)
- 3.1 基于IP地址分类划分
- 3.2 基于子网掩码划分
- 3.4 为什么要进行网络划分
🏳️‍🌈五、特殊的 IP 地址
🏳️‍🌈六、IP 地址的数量限制
🏳️‍🌈七、私有 IP 地址和公网 IP 地址
🏳️‍🌈八、路由
👥总结

网络层
在复杂的网络环境中确定一个合适的路径.

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IP的意义：IP地址提供一种 “能力”，将数据从B主机跨网络可靠的送至C主机的能力(具有很大的概率做成一件事情)！
传输层 提供策略，网络层 展示自己的能力！

🏳️‍🌈一、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：计算机网络中的基本单元，可以包括主机和路由器。

🏳️‍🌈二、协议头格式

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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(同TCP协议).
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

🏳️‍🌈三、网段划分(重要)

IP 地址分为两个部分, 网络号 和 主机号

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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;

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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.

3.1 基于IP地址分类划分

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.

那么问题来了, 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, 如下图所示(该图出自[TCPIP])。

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

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.

3.2 基于子网掩码划分

针对上面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;
CIDR 表示法（如 /28）中的数字表示子网掩码中连续的 1 的个数。
子网地址范围就是 2 的 子网掩码的最后连续0的个数 次方，可用范围需要减 2（不包括网络地址全0 和广播地址全1）

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

补充

IP 是有用且有限的资源！
经过合理划分，来给不同的区域，国家，组织，学校等使用！
我们的网络世界，是被各个国家的运营商精心设计过的，从硬件到软件！
路由器的两个作用：路由和构建子网

3.4 为什么要进行网络划分

提高网络效率：

通过划分网络，可以将大型网络分割成多个小型、易于管理的子网。这有助于减少网络中的广播流量，因为广播域被限制在每个子网内，从而提高了网络的整体效率。
划分网络后，可以更有效地利用带宽资源，因为每个子网可以根据其特定的需求进行配置和优化。

增强网络安全：

网络划分有助于实施更细粒度的访问控制策略。通过限制不同子网之间的通信，可以防止未经授权的访问和数据泄露。
划分网络还可以将敏感数据和系统与其他网络部分隔离开来，以降低潜在的安全风险。

优化网络性能：

划分网络可以平衡网络负载，通过在不同的子网中分配不同的流量类型（如语音、视频和数据），可以确保每种流量类型都能获得所需的带宽和性能。
此外，划分网络还可以减少网络中的延迟和抖动，从而提高实时通信应用的性能。

便于网络管理：

划分网络使得网络管理员能够更容易地监控和管理网络。通过为每个子网配置不同的管理策略，管理员可以更有效地跟踪和解决网络问题。
划分网络还可以简化故障排除过程，因为管理员可以更容易地确定问题所在的网络部分。

支持可扩展性：

划分网络使得网络能够更容易地扩展和适应未来的需求。随着网络规模的增加，管理员可以通过添加新的子网来扩展网络，而无需对整个网络进行重大更改。
划分网络还有助于实现模块化设计，使得网络更容易根据业务需求进行调整和优化。

举一个现实中的例子：

假设学号的前6为代表院号，后10位代表自己的编号！

假设我在学校捡到一个钱包，里面有很多重要的东西，但是只有学号能够代表钱包的主人，此时我需要将钱包还给这个主人，此时我们可以在学校里面一个个问其他同学的学院号，看他们的学院号是否匹配，匹配之后再去学院找，但是这种方式效率很低，一次只能排除一个人，因此我们可以换一种方式，把学院号告诉我们学院学生会主席，让他在校学生会中寻找目标学院，然后再让钱包主人的院学习会通知钱包主人(前提各个学院的学生会主席都在校学生会中)，此时就能很快归还钱包(效率大大提高)，具体如下图：

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🏳️‍🌈五、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

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🏳️‍🌈六、IP 地址的数量限制

我们知道, IP 地址(IPv4) 是一个 4 字节 32 位的正整数. 那么一共只有 2 的 32 次方个 IP地址 , 大概是 43 亿左右. 而 TCP/IP 协议规定, 每个主机都需要有一个 IP 地址.

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, 每次接入互联网中, 得到的 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;

🏳️‍🌈七、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 RFC 1918 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);

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私有IP地址不能出现在公网中！
私有IP地址，可以在不同的私网中进行重复！
虽然存在公网，但是我们上网都必须先接入指定的一个内网中！
我们所有人，都在各自的内网中！

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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).

模拟报文传输过程：192.168.1.201/24 → 122.77.241.3/24
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