IP协议全解析：网络层通信的基石

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前言

在数字化时代的浪潮中，网络通信无处不在，它连接着世界的每一个角落，承载着信息的高速传递。而在这庞大的网络体系中，网络层扮演着至关重要的角色。作为网络通信的基石，网络层负责将数据从源地址传输到目的地址，确保数据的可靠传输和路由选择。

IP协议，作为网络层的核心协议，定义了数据包的格式、寻址方式和路由机制。它像是一张无形的地图，指导着数据包在网络中的传输路径。然而，IP协议的工作原理和具体实现却常常让人感到神秘和复杂。

本文旨在为读者揭开IP协议的神秘面纱，深入探索其原理和实践。我们将从IP协议的基本概念入手，逐步介绍其工作原理、数据包格式、地址分配、路由选择等方面，并结合实际案例，帮助读者更好地理解IP协议在网络通信中的作用。

无论你是网络工程师、开发人员还是对网络通信技术感兴趣的读者，本文都将为你提供一份详尽的IP协议学习指南。让我们一起走进网络层的世界，探索IP协议的奥秘吧！

IP协议基本概念

IP协议（Internet Protocol）是互联网上使用的一种网络协议，也是互联网的基础协议之一。它属于TCP/IP体系中的网络层协议，主要负责将数据包从源主机传输到目标主机。

IP地址：在互联网上，每台计算机都有一个唯一的IP地址，这个地址用于标识和定位设备。通过这个IP地址，数据包可以准确地传输到目标主机。
数据包：IP协议将数据划分为较小的数据包（也称为IP数据报）进行传输。每个数据包都包含源IP地址和目标IP地址，以便正确路由和传输。
路由选择：IP协议通过路由选择算法确定数据包在网络中的传输路径。路由器根据IP包的目标IP地址选择最佳路径，使数据包能够正确到达目标设备。
分包和重组：如果数据包太大，IP协议会将其分割为更小的数据包进行传输。接收方的IP协议会将这些小的数据包重新组合成原始的数据。
错误检测：IP协议使用校验和来检测数据包在传输过程中是否发生了错误。接收方可以通过比较校验和的值来确定数据包是否完整和正确。
无连接：IP协议是一种无连接的协议，这意味着在传输数据之前，发送方和接收方之间不需要建立持久的连接。每个数据包都是独立传输的，因此网络可以同时处理多个数据包。

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): 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).
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)

网段划分

ip协议在网络层解决的主要问题是如何在复杂的网络环境中确定一个合适的路径，以及如何确保数据包能够准确无误地从源主机传输到目标主机

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;

故事时刻

故事开始：

在一个阳光明媚的早晨，小明决定去北京天安门广场游玩。他知道北京是他的目标城市，而天安门广场则是他在这个城市里的具体目标地点。小明出发前，首先确认了前往北京的大致路线，包括乘坐的交通工具和换乘的站点。然而，仅仅知道要去北京是不够的，他还需要知道天安门广场的确切位置，以便在到达北京后能够顺利找到。

现在，让我们把这个故事转移到网络通信的世界。想象一下，数据包就像是小明，而网络就像是城市的道路和交通系统。当我们想要发送一个数据包到另一台主机时，我们首先需要知道目标网络，这就像是小明知道他要去北京这个城市。目标网络通常是一个IP地址范围，类似于城市的不同区域。但是，仅仅知道目标网络还不够，因为在一个大型网络中可能有很多台主机，我们需要进一步指定目标主机，就像小明需要知道天安门广场的确切位置一样。

那么，为什么需要进行网段划分呢？这就好比在一个大城市中，为了管理和交通的顺畅，我们会将城市划分为不同的区域或街道。同样地，在网络中，为了有效地管理和控制数据包的传输，我们也将网络划分为不同的网段或子网。每个子网都有一个唯一的网络地址和子网掩码，用于标识该子网中的主机。这样，当数据包在网络中传输时，路由器和交换机可以根据目标IP地址和子网掩码来确定数据包应该被发送到哪个子网，从而提高了网络的效率和安全性。

故事结束：

通过这个故事，我们可以理解为什么在网络通信中需要知道目标网络和目标主机，以及为什么进行网段划分是如此重要。这就像在旅行中，我们需要知道目标城市和具体地点，以及如何通过城市的道路和交通系统到达目的地一样。在网络中，了解目标网络和主机，以及合理地进行网段划分，是确保数据包能够准确、高效地传输到目的地的关键。

IP地址

我们上面谈到的目标网络用网络号来标识，目标地点用主机号来标识，而网络号+主机号=ip地址

在网络通信中，IP地址是用于标识网络上的设备（如计算机、路由器等）的唯一地址。IPv4地址通常是由32位二进制数表示，为了方便人们记忆和使用，这些二进制数被分成四组，每组8位，并转换成十进制数，每组之间用点（.）分隔，这就是我们所熟悉的点分十进制表示法。

网络号（Network ID）：是网络部分的地址，用于标识主机所在的网络。在IPv4地址中，网络号占用的位数可以根据子网掩码来确定。例如，如果子网掩码是255.255.255.0，那么前24位是网络号，后8位是主机号。这意味着在同一个网络内，所有设备的网络号都是相同的，而主机号则不同。
主机号（Host ID）：是主机部分的地址，用于标识网络中的具体设备。在同一个网络内，主机号是唯一的，但不同的网络可以有相同的主机号。

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])。

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

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;

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. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.

如何理解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)？

路由器通常有两个IP地址，这主要与其在网络中的角色和功能相关。这两个IP地址通常分别是WAN（广域网）口地址和LAN（局域网）口地址。

1.WAN口地址：

WAN口地址是路由器连接到外部网络（如互联网）的IP地址。对于大多数家庭或小型办公网络来说，这个地址是由互联网服务提供商（ISP）分配的，通常是一个公网IP地址。
当路由器从ISP获取到WAN口地址后，它就可以代表内部网络（即LAN）与外部网络进行通信了。
WAN口地址是路由器在外部网络中的唯一标识，它允许外部网络中的设备（如远程服务器）与路由器进行通信。

2.LAN口地址

LAN口地址是路由器为内部网络（即局域网）分配的IP地址。这个地址通常是一个私网IP地址，例如192.168.1.1。
LAN口地址是路由器在内部网络中的唯一标识，它允许内部网络中的设备（如计算机、打印机等）与路由器进行通信。
当内部网络中的设备想要访问外部网络时，它们会将数据包发送给路由器。路由器会将这些数据包的目标地址从内部网络的私网IP地址转换为外部网络的公网IP地址（即NAT转换），然后再将数据包发送给外部网络。

总结来说，路由器有两个IP地址是因为它在网络中担任着两个重要角色：一个是作为内部网络与外部网络的连接点（即网关），另一个是为内部网络提供IP地址分配和转发服务。这两个角色分别对应着WAN口地址和LAN口地址。

路由

故事时刻1

故事开始：唐僧和他的徒弟们（孙悟空、猪八戒、沙僧）在前往西天取经的路上迷路了。他们不知道下一步应该往哪个方向走，以便能够找到正确的路径到达目的地（西天）。

唐僧问路：

寻找信息源：唐僧看到前面有个村庄，于是走过去向村民询问去西天的路该怎么走。这里的村民就相当于网络中的一个路由器，他们拥有关于网络拓扑结构的信息。
路由决策：村民告诉唐僧，他们需要先往南走，然后经过一座山，再向西走才能到达西天。这就是一个路由决策的过程，路由器根据路由表或路由算法来决定数据包应该往哪个方向传输。
传递信息：唐僧按照村民的指示继续前行。这相当于数据包在网络中按照路由决策的路径进行传输。

路由过程中的细节：

动态路由：如果唐僧在途中遇到其他更了解路况的人（比如一个僧侣），他们可能会给唐僧提供更优的路径建议。这就像网络中的动态路由协议，路由器会不断地交换路由信息，以便找到更优的传输路径。
负载均衡：如果有多条路径可以到达西天，唐僧可能会选择其中一条相对较短或较容易走的路径。这就像网络中的负载均衡技术，路由器会根据网络的实际情况来选择最优的传输路径，以确保网络的稳定性和性能。
故障恢复：如果唐僧在途中遇到一座被洪水冲毁的山（即网络中的故障），他可能需要绕路前行。这就像网络中的故障恢复机制，当路由器检测到某个链路出现故障时，它会选择其他可用的链路来传输数据包。

故事结束：最终，唐僧和他的徒弟们经过千辛万苦，终于到达了西天并取得了真经。这就像数据包在网络中经过多个路由器的转发后，最终到达了目标地址并完成了传输任务。

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;

故事时刻2

唐僧问路确定路径的原理：

目标明确：唐僧和他的徒弟们有一个明确的目标——西天取经。同样地，数据包也有一个明确的目标地址，即它要发送到的目的地。

信息源（路由器）：

当唐僧迷路时，他找到了一个信息源——村民，村民基于他们对路况的了解给出了方向建议。
在网络中，数据包也会遇到路由器这样的信息源。路由器维护着一张路由表，这张表包含了关于如何到达不同目标地址的信息。

路由决策：

村民告诉唐僧应该往哪个方向走，这就是一个路由决策的过程。
路由器也会根据路由表中的信息来做出路由决策。它会查看数据包的目标地址，并在路由表中查找与该地址匹配的条目。一旦找到匹配的条目，路由器就知道应该将数据包发送到哪个下一跳（即下一个路由器或目标地址）。

下一跳：

唐僧根据村民的建议选择了下一跳的方向（向南走），并继续前行。
数据包也会根据路由器的路由决策选择下一跳，并发送到那个地址。这个过程可能会经过多个路由器，直到数据包最终到达目标地址。

动态路由与选择最优路径：

如果唐僧在途中遇到更了解路况的僧侣，他们可能会给出更优的路径建议。
在网络中，路由器之间会不断地交换路由信息，使用动态路由协议来更新路由表。这样，路由器就能根据最新的网络状况选择最优的传输路径。

故障恢复：

如果唐僧遇到一条被洪水冲毁的路（即网络故障），他会选择其他路径继续前行。
类似地，当路由器检测到某个链路出现故障时，它会选择其他可用的链路来传输数据包，以确保数据包能够到达目标地址。

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

路由表生成算法是路由器确定如何转发数据包到目的地的关键过程。以下是几种常见的路由表生成算法：

1.链路状态算法（Link State Algorithm）：

例如OSPF（Open Shortest Path First）就是基于链路状态算法的。
每个路由器会探测与其直接相连的链路状态（如延迟、带宽、可靠性等），并将这些信息以链路状态广播（Link State Advertisement, LSA）的形式发送给网络中的其他路由器。
每个路由器在接收到这些LSA后，会构建一个完整的网络拓扑图，并使用Dijkstra算法或其他算法计算到每个目标网络的最短路径，从而生成路由表。

2.距离向量算法（Distance Vector Algorithm）：

例如RIP（Routing Information Protocol）就是基于距离向量算法的。
每个路由器会定期向邻居路由器发送其路由表的一部分，这部分包含了到每个目标网络的距离（通常是跳数）和下一跳路由器的信息。
路由器在接收到邻居的路由表信息后，会更新自己的路由表。如果通过某个邻居路由器可以到达某个目标网络的距离更短，那么就会更新自己的路由表，将下一跳设置为该邻居路由器。

3.标签分发协议（Label Distribution Protocol, LDP）：

主要用于MPLS（Multi-Protocol Label Switching）网络中。
在MPLS网络中，数据包会被封装上标签，路由器根据标签进行转发，而不是传统的IP地址。
LDP用于在MPLS网络中分发标签绑定信息，即标签与目的网络或下一跳路由器之间的映射关系。路由器在接收到LDP消息后，会生成相应的标签转发表（Label Forwarding Information Base, LFIB），用于指导数据包的转发。

4.静态路由：

静态路由是由网络管理员手动配置的，不会根据网络拓扑的变化而自动更新。
静态路由适用于网络结构相对稳定、对路由变化不敏感的场景。

5.策略路由：

策略路由允许管理员根据特定的策略（如数据包的大小、源地址、目的地址等）来选择转发路径。
策略路由可以实现更加灵活和细粒度的路由控制。