Linux网络编程：IP协议

一. IP协议的功能

二. IP协议报头

2.1 IP报头的格式

2.2 IP报头各部分含义

三. IP报文的分片问题

3.1 什么是分片

3.2 分片的原理

3.3 合并报文

四. 网段划分

4.1 网络号和主机号

4.2 网络号和主机号的划分策略

4.3 特殊的IP地址

4.4 IP地址数量不足问题

五. 公网IP和私网IP

六. 路由

七. 总结

一. IP协议的功能

IP协议是TCP/IP五层模型的网络层所用到的协议，IP协议解决的问题是报文路由路径的选择。如图1.1所示，主机C要将数据送到主机B，报文随经过的路径为：主机C -> 路由器H -> 路由器F -> 路由器C -> 路由器D -> 主机B。选择上面这条路由路径，就是IP协议所做的工作。

IP协议的工作：进行路由路径的选择。

对于IP协议，有如下几个基本概念：

主机：配有IP地址。但无法进行路由控制的设备。
路由器：配有IP地址，并且可以进行路由控制的设备（从广义上讲路由器也可以归为主机）。
节点：主机和路由器的统称。

二. IP协议报头

2.1 IP报头的格式

2.2 IP报头各部分含义

4位版本号：均视为Ipv4即可（部分内网采用Ipv6）。
4位首部长度：大小范围是0~15，用于标识20bytes定长报头和选项的总字节数，以4bytes为基本单位，20bytes+选项长度 = 4位首部长度 * 4。
8位服务类型：包括3位优先权字段（现已弃用）、4位TOS服务类型标识、1位保留（必须置为0），其中4位TOS服务类型标识包括：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。这4种TOS服务类型相互冲突，只能选择其中之一。
16位总长度：IP报文的总长度，数据长度 = 16位总长度 - 4 * 4位首部长度。
16位标识：用于区分报文的唯一性，如果两个IP报文由一个报文拆分而来，那么他们的16位标识是相同的。
3位标志：用于IP报文分片，其中第一个标志暂时保留不用、第二个标志为禁止分片（如果这个标准被置1，且报文过长超出了数据链路层传输限制，那么该IP报文直接被丢弃）、第三个为更多分片标志位（如果该IP报文被分片，且当前报文不是被分片前的报文的最后一片，那么该标志位被置为1）。
13位片偏移：配合更多分片标志位来使用，表示被分片后的报文起始位置相对于原报文的起始位置的偏移量。
8位生存时间（TTL）：数据到达目的主机最多经过的路由器数（最多跳数），报文每次经过一个路由器，TTL-=1，如果TTL到达0报文还没有被送到目的主机，那么该报文就被丢弃了。由于现实中网络状况极为复杂，任何人都无法完全理清报文的转发途径，理论上可能存在“环路转发”的情况，通过设置TTL限制报文经过的路由器数目，可以避免数据滞留在网络中造成网络崩溃问题。
8位协议：UDP协议或TCP协议。
16位首部检验和：用于检查报文合法性，如果检验不通过，那么该报文直接被丢弃。
32位源IP：发送数据的主机IP地址。
32位目的IP：接收数据的主机IP地址。

三. IP报文的分片问题

3.1 什么是分片

在数据链路层，由于物理层条件的限制，一般无法转发太大的报文，数据链路层一次转发报文的限制一般为（1500bytes，MTU）。因此，如果IP报文过大，那么就需要将IP报文分片，将一个IP报文拆分为多个报文进行转发。

IP报文报头中存在16位标识，就是用于区分两个报文是否是一个报文拆分而来的，如果是，16位标识就相同。

图3.1展示了IP报文拆分的原理，IP报文实在源主机的网络层拆分的，也要在目的主机的网络层合并，至于上面的传输层及下面的数据链路层，则完全不关心报文分片问题。

3.2 分片的原理

IP报文的分片大小，受数据链路层传输限制的影响。对于一个分片的报文，报头中的“更多分片”标志位为1或者13位片偏移不为0两个条件至少满足其中之一。假设一个大报文被分为了10片：第一个分片后面还有9个分片，更多分片标志位为1，13位片偏移为0；最后一片（第10片）后面没有分片了，更多分片标志位设为0；13位片偏移不为0；中间位置的报文13位片偏移非零，更多分片标志位为1。

举一个demo示例（见图3.2），假设网络层有一个大小为3000bytes的报文，没有选项，数据链路层一次传输的数据量最多为1500bytes，那么我们可以按照下面的逻辑理解分片：

第一次分片：提取原来报文头部的1500bytes内容（包含报头），由于后面还有两个分片，更多分片标志位为1，13位片偏移为0。
第二次分片：报文中还剩1500bytes的数据，但是每次拆分出来的报文都要重新添加报头，报头占用20bytes，所以第二次分片只能拿走1480bytes的数据，还剩20bytes要在分为1片，因此更多分片标志位设为1，13位片偏移为1500。
第三次分片：还剩20bytes的数据，这20bytes相对于原报文起始位置偏移2480bytes，因此13位片偏移为2480，该分片后面不再有更多报文，因此更多分片标志位设为1。

3.3 合并报文

如果源主机在网络层对IP报文进行了分片，那么对端主机就要对分片后的报文进行了合并，对于报文合并，有三个问题需要解决：

如何识别一个报文是否进行了分片。
如何合并分片后的报文。
异常检测：如果N个分片的其中一个或多个丢失，那么如何识别出来。

如何识别一个报文是否进行过分片：要综合“更多分片”标志位和13位片偏移来识别一个报文是否被分片，报文没有被分片的条件为：更多分片标志位为0 && 片偏移为0。

如何合并分片后的报文：检测到了报文分片后，根据16位标识，确定那几个片来自同一个原始IP报文，根据：片偏移 + 本报文长度 - 新增报头长度（如果有） = 下一报文片偏移 的规律对收到的分片报文进行排序，恢复出原始报文。

如何进行异常处理：如果分片后的报文其中之一发生了丢包问题，那么就认为整个报文发生了丢包，从前到后检测片偏移 + 本报文长度 - 新增报头长度（如果有） = 下一报文片偏移是否一直成立，如果在某个位置处检测到了不成立，那么就丢弃整个(原始)报文，如果采用的是TCP协议，那么就由TCP协议的可靠性保证机制来重发报文。

正是因为被分片后的报文只要其中之一发生丢包，那么就认为整个报文发生了丢包，因此分片是一种不推荐的行为，因为这会大大增加丢包的概率。

四. 网段划分

4.1 网络号和主机号

一个32位的IP地址可以分为两部分：网络号和主机号。

网络号：用于标识IP地址所处的网段，不同网段的网络号各不相同。
主机号：位于同一网段的设备的IP网络号相同，主机号不同。

一般来说，一个I地址的高N位属于网络号，低32-N位属于主机号。在不同的网络中，网络号和主机号的位数是不固定的。例如：如果把全球视为一个大型广域网，每个国家或地区属于一个网段，那么有可能前8位属于网络号(全球一共200多个国家和地区)，后24位属于主机号；又比如将中国境内的每个地级市的网络归为一个网段，那么有可能前20位都是网络号，后面12位是主机号。

结论：32位IP地址中，主机号和网络号的位数是不固定的。

4.2 网络号和主机号的划分策略

在早前，曾经有人提出过将IP地址划分为ABCDE五类，如图4.2所示。

但是，这种划分方法存在一个明显的问题，A类IP所能容纳的主机数量明显多余B类和C类IP，A类IP经常存在被某个网段申请了后有许多剩余的IP没有被特定主机占用，而大多数组织都会去申请B类网络，从而造成B类网络资源不足的问题。而且，这种网络号划分方法将网络号长度限定死了，无法灵活动态调整，因此，现代网络通信已经极少使用这种IP地址划分方法了。

现代网络通信中一般采用CIDR方法（Classless Interdomain Routing）划分网络号：

这种方式引入一个额外的子网掩码（subnet mask）来区分网络号和主机号。
子网掩码是一个32位整数，通常以一串0结尾，这串0对应的二进制位就是主机号。
将IP地址与子网掩码按位与，就可以得到网络号，即：网络号 = IP地址 & 子网掩码。

CIDR技术：通过子网掩码划分网络号。

表4.1为一个子网掩码划分IP地址的案例，假设IP地址为192.168.24.112，子网掩码为255.255.255.0，那么 192.168.24.112 & 255.255.255.0 = 192.168.24.0，我们就认为网络号为192.168.24。

结论：网络号 = IP地址 & 子网掩码

IP地址	192.168.24.112
子网掩码	255.255.255.0
网络号	192.168.24.0
网络号对应IP范围	192.168.24.0 ~ 192.168.24.255

4.3 特殊的IP地址

如果主机号对应二进制位全部为0，那么这个IP就表示一个局域网。
如果主机号全部设置为1，那么这个IP就表示广播IP，数据会被同一数据链路层的所有设备都收到。
127.*表示本地换回IP，用于在本地进行测试使用，一般使用127.0.0.1。

4.4 IP地址数量不足问题

综和上面的内容，我们发现32位IP地址最多表示40多亿台计算机设备，但是全球的计算机设备数量已经远远超过这个数字，且由于网络号和主机号的划分，难免会造成IP地址浪费的问题，如果全世界真的每台计算机设备都有一个独立的IP，那么IP资源是肯定不够的，但是全球互联网依旧没有崩溃。

通过以下3种方法解决IP地址不足问题：

动态IP地址分配DHCP：只给接入网络的设备分片IP地址，设备退出网络就归还IP资源。
NAT技术：允许不同私网中的两台计算机设备有相同的IP地址。
ipv6技术：理论上可以彻底解决IP地址资源不足的问题，但很遗憾ipv4和ipv6不兼容，且ipv6技术出现之前ipv4已经被大范围使用，因此ipv6技术并未被广泛使用。我国由于人口众多，经济发展快速，需要更多的计算机设备实现快速通信，因此我国一直在大力推广ipv6技术，但是进展缓慢。

DHCP技术：自动给子网内新增的主机节点分配IP地址，一般路由器均有DHCP技术。

NAT技术：源IP在不同内网、不同层级之间网络节点中转发，不断被替换的技术。

五. 公网IP和私网IP

用于某个组织内部的局域网，如果不与公网进行通信，那么一般使用私网ip，RFC 1918规定了以下3类IP地址为私网IP：

10.*，前8位是网络号。
127.16.* ~ 172.31.*，前12位是网络号。
192.168.*，前16位是网络号。

在上面范围内的IP地址为私网IP，范围之外的全部公网IP。

一个路由器有两个IP，分别为子网IP和WAN IP，其中WAN IP表示上一层网络的IP地址。图5.1为公网IP和私网IP的划分示意图，我们可以观察到，在不同私网中（运营商路由器和家用路由器分别组件私网），是可以存在相同的IP地址的，在同一网段中则不允许有相同的IP地址，同一网段（私网）中的设备通信不受上级网络的干扰，这样就可以达到多设备占用同一IP的目的，可用于解决IP地址不足的问题。

根据图5.1，给出如下的结论：

一个路由器可以配置两个IP地址，其中一个为WAN IP，另一个为子网IP，路由器WAN IP用于与上级网络设备相连接，子网IP的主机号一般为1。
在同一个子网中，不允许出现相同的IP地址，但是在子网之间（不同子网）允许有相同的IP地址。
家用路由器，要与运营商路由器相连接，运营商路由器可以将家用主机中的数据推送到公网上，以达到在家访问工网的目的。
数据每次经过一个路由器，都会将源IP地址替换为路由器的WAN IP，这种技术称为NAT（Network Adress Translation），可用于解决IP地址不足。
如果希望我们个人写的程序可以在公网上被访问到，那么就需要将程序部署到一台具有公网IP服务器上。

六. 路由

所谓路由过程，就是数据在网络中转发，在每个节点中“问路的过程”。

数据从A主机转发到B主机，如图6.1，要经过从A主机的应用层到数据链路层，经过B主机的数据链路层到应用层，至于中间经过的若干个路由器，则只要经过它们的数据链路层和网络层，路由的过程，就是在网络层中实现的。

图6.2展示了数据在网络传输过程中的路由过程，假设主机A发送数据到主机B要经过路由器1和路由器2，那么主机A就要先查询路由表，将数据送到路由器1，到路由器再查找路由表送到路由器2，路由器2的路由表中存在目的主机B的IP，那么下一条就直接将数据送到主机B，数据送达，路由过程结束。

路由过程设置两个关键要素：网络号 + 路由表。

在Linux操作系统下，通过指令route，可以查看当前设备的路由表。

route指令：查看路由表。

图6.3为使用route指令查看路由表后看到的内容，其中每部分的含义如下：

Destiantion：目的设备的网络地址，其中default为默认地址，如果路由表中其余所有地址都没有匹配上，那就将数据转发到default设备中去。
Getaway：设备类型，getway表示为路由器。
Genmask：子网掩码。
Flags：标志，G表示下一条地址是路由器地址，U表示设备正在被使用。
Iface：转发接口，如果网络号匹配，那么就通过指定的Iface转发出去。

在路由过程中，根据如下方式，选择下一个路由节点：

将目的IP地址与路由表中最后一行的子网掩码按位与操作，得到一个网络号，如果与Destination相匹配，那么就通过Iface将数据转发出去。
如果不匹配，那就继续向上遍历，将目前IP依次与每个子网掩码按位与，直到获取相匹配的网络号将数据转发出去为止。
如果到了default还没有找到相匹配的网络号，那么就讲数据转发到default设备上去。

下面利用两个具体的IP地址为例，以图6.4所示的路由表为参考，来理解通过路由表进行路径选择的流程。

示例1 -- 将数据转发到192.168.31.233的流程：

从路由表最后一行开始，将目前IP与子网掩码按位与操作，得到网络地址192.168.31.0，与Destination不匹配，向上一行查找。
将目的IP与当前行的子网掩码按位与操作，得到网络地址192.169.31.0，与Destination相匹配，通过转发接口eth1将数据转发出去，至此下一节点选择结束。

示例2 -- 将数据转发到192.168.155.21的流程：

从路由表最后一行开始，将目前IP与子网掩码按位与操作，得到网络地址192.168.155.0，与Destination不匹配，向上一行查找。
将目的IP与当前行的子网掩码按位与操作，得到网络地址192.169.255.0，与Destination还是无法匹配，继续向上查找。
此时到达了default查询接口，在此之前全部没有匹配的网络地址，因此直接通过转发接口eth0将数据发送到default设备中，至此下一节点选择结束。

七. 总结

IP协议是网络层的协议，负责将数据从源主机发送到目的主机过程中，转发路径（要经过哪些）节点的选择。
由于数据链路层物理条件的限制，IP报文如果过大需要进行分片转发，分片是源主机网络层的工作，对端主机网络层负责组合。分片和组合过程中涉及报头的“更多分片”标志位及13位片偏移，根据16位序号来确定两个报文是否来自同一个原始报文。
但是，报文分片是一种很不推荐的行为，因为被分片后的报文只要有一个发生了丢包，那么就相当于整个报文都丢了，这样会大大增加丢包的概率。
一个32位IP地址被划分为两个部分：网络号和主机号。网络号表示设备所在的网段，主机号表示网段中特定的一个主机，不同网段的网络号一定不同，同一网段中的主机号一定不同。通过IP地址 & 子网掩码的方式，可以获取网络地址。
IP地址被分为公网IP和私网IP，对于私网IP，则用于某个组织内部的通信，不与公网通信，在不同的私网中，允许有相同的IP地址出现。FRC 1918标准对私网IP做了规范。
采用DHCP、NAT、Ipv6技术可以解决IP地址不足的问题，现实中一般采用NAT技术，所谓NAT技术，就是当报文经过路由器时，将IP报头中的源IP替换为路由器的WAN IP的技术。
所谓路由，就是数据在网络中转发“问路”的过程，通过查询节点中存放的路由表，来确定下一跳的设备。