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网络层IP协议

news 2025/5/25 15:01:44

文章目录

网络层IP协议
- 1、概念
- 2、IP协议
- - 2.1、IP协议格式
  - 2.2、网段划分
  - 2.3、CIDR 无类别域间路由
  - 2.4、特殊的 IP 地址
  - 2.5、IPv6
  - 2.6、私有 IP 地址和公网 IP 地址
  - 2.7、路由
  - 2.8、路由表生成算法

网络层IP协议

1、概念

网络层是OSI模型的第三层，它负责数据包在网络中的路由选择和转发。它的主要功能是确定数据从源到目的地的最佳路径，并在多个网络之间转发数据。

简单来说就是网络层IP协议的作用就是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

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

2、IP协议

2.1、IP协议格式

版本（Version）：4位

表示IP协议的版本号。对于IPv4协议，这个值为4。

头部长度（IHL, Internet Header Length）：4位

表示IP头部的长度，以32位（4字节）为单位。最小值为5，即头部长度为20字节。

服务类型（Type of Service, TOS）：8位

表示服务质量要求。它包括用于优先级、延迟、吞吐量、可靠性等服务质量的指定。

总长度（Total Length）：16位

表示整个IP数据报的长度（包括头部和数据），单位为字节。最大长度为65,535字节。

标识（Identification）：16位

唯一标识发送主机发送的每个数据报，用于分片和重组数据报。

标志（Flags）：3位

用于控制和标识分片数据报。包括是否允许分片、是否为最后一个分片等。

片偏移（Fragment Offset）：13位

表示当前片段在原始数据报文中的位置，用于数据报重组。

生存时间（TTL, Time to Live）：8位

指定数据报可以经过的最大跳数，每经过一个路由器，TTL值减1，当TTL值减到0时，数据报将被丢弃，防止数据报在网络中无限循环。

协议（Protocol）：8位

表示封装在IP数据报中的上层协议类型。例如，6表示TCP协议，17表示UDP协议。

头部校验和（Header Checksum）：16位

对IP头部进行错误检查，确保数据传输的完整性。

源地址（Source Address）：32位

表示数据报的发送者的IP地址。

目标地址（Destination Address）：32位

表示数据报的接收者的IP地址。

选项（Options）：可变长度，最多为40字节

用于支持各种控制功能，通常不使用。

填充（Padding）：可变长度

为了确保IP头部长度是4字节的整数倍，用于填充空位。

2.2、网段划分

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

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。

那怎么管理（分配或者回收）子网的所有 IP 呢？

有一种技术叫做 DHCP（动态地址分配），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。

TCP/IP的设计者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：

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，无类别域间路由)。

2.3、CIDR 无类别域间路由

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

这样，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 地址和子网掩码做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 172.16.122.204/16 ，表示 IP 地址为 172.16.122.204，子网掩码的高 16 位是 1 ，也就是 255.255.0.0。

2.4、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（同一局域网）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。

2.5、IPv6

上面所有内容都是基于 IPv4 协议下的。

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，但是国内知名科技公司一般使用用上了。

2.6、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)，因为我们用的路由器，也属于局域网，不同局域网的路由器 IP 一样没关系。

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。

2.7、路由

用下面这张图来解释吧。

IP 数据包的传输过程和问路一样
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（使用子网掩码计算后查看是否属于这个网络）
依次反复，一直到达目标 IP 地址

怎么确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（子网掩码计算后网络号就是该子网），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。

假设某台主机的路由表如下：

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

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

2.8、路由表生成算法

距离向量算法（Distance Vector Algorithm）

概述：距离向量算法，也称为Bellman-Ford算法，是一种动态路由算法。每个路由器都维护一张路由表，表中记录着到达网络中每个目的地的最佳路径及其距离（跳数）。
工作原理：路由器周期性地向其相邻路由器广播自己的路由表信息，包括已知的目的地及其距离。相邻路由器根据收到的信息更新自己的路由表，以确保路由表始终反映到达各目的地的最短路径。
优缺点：算法简单，易于实现，但存在慢收敛问题和可能产生路由循环的缺点。

链路状态算法（Link State Algorithm）

概述：链路状态算法，也称为最短路径优先算法（SPF，Shortest Path First），是另一种动态路由算法。
工作原理：每个路由器首先向网络中的其他路由器发送链路状态信息（如链路的成本和状态）。然后，每个路由器根据收集到的链路状态信息构建一个完整的网络拓扑图，并使用Dijkstra算法等算法计算到达每个目的地的最短路径。
优缺点：链路状态算法收敛速度较快，不易产生路由循环，但需要更多的CPU和内存资源，且实现相对复杂。

Dijkstra算法

概述：Dijkstra算法是一种用于寻找图中节点间最短路径的算法，它常被用于链路状态算法中计算最短路径。
工作原理：算法从源节点开始，逐步扩展搜索范围，直到找到到达所有其他节点的最短路径。在搜索过程中，算法使用优先队列（或类似数据结构）来维护待考察的节点，并根据当前已知的最短路径长度进行排序。
特点：Dijkstra算法能够确保找到从源节点到所有其他节点的最短路径，且算法复杂度相对较低。