Linux编程--网络层和

1.IP协议

1.1 协议头的格式

4位版本：指定IP协议的版本，IPV4就是4。

4位首部长度：*4 == 报头的长度 [0-60]

8位服务类型：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：报文的总长度

16位标识：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 --会在后面说分片部分详解

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

1.2 网段划分

互联网中的每一台主机都要隶属于一个子网！-- 为了方便定位这个主机，从而高效的找到这个主机。

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

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。

1.3 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

1.4 IP地址的数量限制

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;

1.5 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.

1.6 路由

在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线；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
路由器决定这个数据包是能直接发
依次反复, 一直到达目标IP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

1.7 IP报头的16位标识符、3位标识符、13位片偏移

真正在网线中传输的是MAC帧数据，但是MAC帧的有效载不能超过1500(MTU,可以修改)。

1500中包含的就是IP报头+IP有效载荷。但是，IP不能决定自己的报文大小，在网络中决定报文大小的是TCP(传输控制协议)。

IP：分片与组装(并不是主流情况)：

分片：自己的IP层组装：对方的IP层

TCP和MAC帧并不关心IP的分片与组装

所有片的16位标识符都相同
3位标志位的第3位"更多分片"，为0时，该片为分片的最后一片
13位偏移量：是分片相对于原始报文的偏移量

如何得知一个报文被分片了?
(1).如果更多分片是1，就证明被分片了
(2).如果更多分aa片是0，且片偏移量>0,就是分片了，否则不是。
同一个报文的分片如何被识别？ 16位标识符
更多分片是1，片偏移量=0为第一个分片；更多分片为1，片偏移量>0为最后一个分片
根据偏移量来组装分片的
当前报文的偏移量(起始位置) + 当前报文的长度 = 下一个报文的便宜量，则报文收全了，否则没有收全。
如何保证组装起来的报文是正确的？ TCP/IP首部校验和

我们要注意，分片并不是一个好的操作，因为将一个报文分为福哦个，会增加丢包的概率。