『网络』浅谈IP协议

主机和结点

在互联网世界中，将那些配有IP地址的设备叫做“主机”。这里的主机可以是超大型计算机，也可以是小型计算机。这是因为互联网在当初刚发明的时候，只能连接这类大型的设备，因此习惯上就将配有IP地址的设备称为“主机”。
然而，准确地说，主机的定义应该是指“配置有IP地址，但是不进行路由控制的设备”。既配有IP地址又具有路由控制能力的设备叫做“路由器”，跟主机有所区别。而结点则是主机和路由器的统称。

IP协议

IP（Internet Protocol）协议是将多个包交换网络连接起来，它在源地址和目的地址之间传送一种称之为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。
IP不提供可靠的传输服务，它不提供端到端的或结点到结点的确认，对数据没有差错控制，它只使用报头的校验码，它不提供重发和流量控制。如果出错可以通过ICMP报告，ICMP在IP模块中实现。
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IP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(单位)，也就是length * 4的字节数。4bit表示的最大数字是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（已弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置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/telent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(字节数)：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，那么每一片里面的这个id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。第三位标识“更多分片”，如果分片的话，最后一个分片置为1，其他是0，类似于一个结束标志。
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于哪个位置。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，就丢弃。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位首部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
32位源地址和目的地址：表示发送端和接收端。
选项字段最大40字节。

网段划分

网络号和主机号

IP地址分为两部分，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的主机结点分配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。

早期的网段划分

过去曾经提出过一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类。
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A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255。
B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。
C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255。
D类：224.0.0.0.0 ~ 239.255.255.255。
E类：240.0.0.0.0 ~ 247.255.255.255。

因为早期的网段划分方式太过于粗糙，浪费较多，因此被淘汰了。于是提出了新的网段划分方案，称为CIDR。

CIDR

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，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。
网络号和主机号的划分与这个IP是A类、B类还是C类无关。

下面看两个例子：
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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140.252.60.68，子网掩码的高24位为1，也就是255.255.255.0。

再来看一个问题？
现在有一个网络的网段是192.168.122.0，子网掩码是255.255.255.0，现在要将这个网络平均划分成四个子网：每个子网的主机范围以及子网掩码是多少？

通过掩码得到主机号个数：256个。
因为要平均划分为四个子网，则每个子网中主机号数量为256 / 4 = 64个。
每个子网的掩码如下：
255.255.255.0
255.255.255.64
255.255.255.128
255.255.255.192
每个子网IP地址范围如下：
192.168.122.0~192.168.122.63
192.168.122.64~192.168.122.127
192.168.122.128~192.168.122.191
192.168.122.192~192.168.122.255

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报。
127.*的IP地址用于本机回环测试，通常是127.0.0.1。

私有IP和公网IP

如果一个组织内部组件局域网，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规定了用于组件局域网的私有IP地址。

10.*.*.*.*，前8位是网络号，共有16777216个地址。
172.16.* ~ 172.31.*，前12位是网络号，共1048576个地址。
192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址。

上述范围中的都称为私有IP，其余的都称为公网IP。
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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其实都一样的（通常是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。
子网内的主机需要和外网机进行通信时，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，网络地址替换）。
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。

网关

大家都知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道“关口”，这道关口就是网关。顾名思义，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。也就是网络关卡。
网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

说明：
由于历史原因，许多有关TCP/IP的文献曾经把网络层使用的路由器称为网关，在今天很多局域网采用的都是路由来接入网络，因此通常指的网关就是路由器的IP（LAN口IP）。
举例说明：
网络A的IP地址范围为：192.168.1.1~192.168.1.254，子网掩码是255.255.255.0；网络B的IP地址范围为：192.168.2.1~192.168.2.254，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的。即使两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络中，而要实现两个网络之间的通信，则必须要通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机。

所以说，只有设置好网关的IP地址，TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。那么这个IP地址是哪台机器的IP地址呢？网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。

路由

路由是指路由器从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向并转发到另一个接口的过程。
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如上图所示，路由的过程，就是上述一跳一跳的过程。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数据报的传输过程和问路一样。

当IP数据报，到达路由器时，路由器会先查看目的IP。
路由器判断这个数据包是直接能够发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。
如此反复，直到到达目标IP地址。

那么路由器如何判断这个数据包该发送到哪里呢？
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为了将数据包发送给目标主机，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送给哪个路由器。IP包根据这个路由表在各个数据链路上传输。

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，主要由下一条地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

一台主机的网络接口配置和路由表如下：
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这台主机有一个网络接口，连到172.17.48.0/20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条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，不必经路由转发。

路由转发过程：
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traceroute命令

traceroute命令利用ICMP协议定位您的计算机和目标计算机之间的所有路由器。TTL值可以反映数据包经过的路由器或网关的数量，通过操纵独立ICMP呼叫报文的TTL值和观察该报文被抛弃的返回信息，traceroute命令能够遍历到数据包传输路径上的所有路由器。
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