网络层之IP协议(必备知识)

TCP/IP的心脏是互联网。这一层主要由IP(Internet Protocal) 和ICMP(Internet Control Message Protocal)两个协议构成。IP相当于OSI参考模型的第三层网络层。网络层的主要作用是"实现终端节点之间的通信"。这种终端节点之间的通信也叫"点对点通信"。

1、IP协议头格式

• 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)：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。
• 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。

2、IP分片与组装

不同数据链路有个最大的区别，就是它们各自的最大传输单位( MTU: Maxi-mum Transmission Unit)不同。 就好像人们在邮寄包裹或行李时有各自的大小限制一样。MTU的值在以太网中是1500字节，在FDDI中是4352字节，而ATM则为9180字节"。IP 的上一层可能会要求传送比这些MTU更多字节的数据，因此必须在线路上传送比包长还要小的MTU。
为了解决这个问题，IP进行分片处理( IP Fragmentation)。 顾名思义，所谓分片处理是指，将较大的IP包分成多个较小的IP包。分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层。即从IP的上次层看，它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU，而只需要按照源地址发送的长度接收数据包。IP就是以这种方式抽象化了数据链路层，使得从上层更不容易看到底层网络构造的细节。

我们先来看看报头中的这几个字段：

• 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1，其他是0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)。

1、为什么要分片?

因为数据链路层一次可以向网络里发送的数据大小是有限制的MTU：1500字节如网络层收到1500个数据，向链路层传递时会添加ip报头20字节，超出1500字节，此时就要分片，分成1480 和 20 在分别加上ip报头20字节传给链路层。

分片过程

2 、分片后谁来组装呢？

对端网络层IP。

3、这个分片传输层知道吗？

不知道也不需要知道，在对端网络层就被组装好了。

4、分片后如何组装？

利用13位偏移的偏移量，升序排序即可完成组装。

5、接收端,如何得知报文是独立的还是一个分片。

若是独立报文，13位片偏移量一定是0，有了三为标志位后，偏移量为0三位标志位中第三位为1说明后面还有分片，三位标志位中的第三位为0说明后面无分片，即当前即为最后一片或无分片。因此根据13位片片偏移和三位标志位即可确认是独立报文还是分片，独立报文一定是片皮偏移为0而且更多分片一定是0，分片报文片偏移大于零或更多分片等于1。

6、分片真的好吗？不想分片谁说了算?

一般而言我们还是要减少分片。传输层因为只有传输层可以控制传输数据的大小。

7、怎样判断分片传输到对端有没有丢？

根据13位分片偏移可以判断头部和中间片，根据3位标志可以判断尾部的一片有没有丢。

4、IP基础知识

<1>IP地址属于网络层地址

在计算机通信中，为了识别通信对端，必须要有一个类似于地址的识别码进行标识。作为网络层的IP，就有这种地址信息。一般叫做IP地址。IP 地址用于在“连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址”。因此，在TCP/IP通信中所有主机或路由器必须设定自己的IP地址"。

不论一台主机与哪种数据链路连接，其IP地址的形式都保持不变。以太网、无线局域网、PPP等，都不会改变IP地址的形式"。另外，在网桥或交换集线器等物理层或数据链路层数据包转发设备中，不需
要设置IP地址。因为这些设备只负责将IP包转化为0、1比特流转发或对数据链路帧的数据部分进行转发，而不需要应对IP协议"。

<4>IP地址

IP地址(IPv4 地址)由32位正整数来表示。TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。IP 地址在计算机内部以二进制方式被处理。然而，由于人类社会并不习惯于采用二进制方式，需要采用一种特殊的标记方式。那就是将32位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以“”隔开，再将每组数转换为十进制数"。如192.168.0.1。

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(路由的依据)。

• 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。
  

• 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。

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

• 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。

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。

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。

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。

既然IP地址是由32位正整数来表示，那么这意味着, 一共只有43亿台主机能接入网络么?

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：在这篇文章中会提到数据链路层(必备知识)。
• 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)。

• 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。

<2>路由控制

路由控制(Routing)是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。一且这个路由控制的运行出现异常，分组数据极有可能 “迷失”，无法到达目标地址。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。

发送数据至最终目标地址
Hop译为中文叫“跳”。它是指网络中的一个区间。IP 包正是在网络中一个个跳间被转发。因此IP路由也叫做多跳路由。在每一个区间内决定着包在下一跳被转发的路径。

多跳路由是指路由器或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机，而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间(跳)在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作，直至包达到最终的目标地址。

路由控制表

为了将数据包发给目标主机，所有主机都维护着一张路由控制表(Routing Table)。该表记录IP数据在下一步应该发给哪个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。

• 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。

路由控制表

• 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。

<3>IP属于面型无连接型

IP面向无连接。即在发包之前，不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据，该数据会立即被压缩成IP包发送出去。
在面向有连接的情况下，需要事先建立连接。如果对端主机关机或不存在，也就不可能建立连接。反之，一个没有建立连接的主机也不可能发送数据过来。
而面向无连接的情况则不同。即使对端主机关机或不存在，数据包还是会被发送出去。反之，对于一台主机来说，它会何时从哪里收到数据也是不得而知的。通常应该进行网络监控，让主机只接收发给自己的数据包。若没有做好准备很有可能会错过一些该收的包。因此，在面向无连接的方式下可能会有很多冗余的通信。

那么，为什么IP要采用面向无连接呢?

主要有两点原因：一是为了简化，二是为了提速。面向连接比起面向无连接处理相对复杂。甚至管理每个连接本身就是一个相当繁琐的事情。此外，每次通信之前都要事先建立连接，又会降低处理速度。需要有连接时，可以委托上一层提供此项服务。因此，IP为了实现简单化与高速化采用面向无连接的方式。

4、其他重要协议或技术

<1>ICMP协议

ICMP协议是一个 网络层协议
一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通。但是IP协议并不提供可靠传输，如果丢包了IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。

ICMP功能

• 确认IP包是否成功到达目标地址。
• 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因。
• ICMP也是基于IP协议工作的。但是它并不是传输层的功能，因此人们仍然把它归结为网络层协议。
• ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情况下，需要是用ICMPv6。

ICMP的消息可以分为两类：一类是通知出错原因的错误消息，另一类是用于诊断的查询消息。如图：

ping命令

• 注意, 此处 ping 的是域名， 而不是url！ 一个域名可以通过DNS解析成IP地址。
• ping命令不光能验证网络的连通性， 同时也会统计响应时间和TTL(IP包中的Time To Live，生存周期)。
• ping命令会先发送一个 ICMP Echo Request给对端。
• 对端接收到之后，会返回一个ICMP Echo Reply。

一个值得注意的坑
有些面试官可能会问: telnet是23端口，ssh是22端口，那么ping是什么端口?
千万注意!!! 这是面试官的圈套。

ping命令基于ICMP，是在网络层。而端口号是传输层的内容， 在ICMP中根本就不关注端口号这样的信息。