基本概念

网络层实现数据包的选路和转发。
网络层最核心的协议是IP协议（Internet Protocol，因特网协议）。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器，并将数据包交付给该路由器来转发。多次重复这一过程，数据包最终到达目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。可见，IP协议使用逐跳（hop by hop）的方式确定通信路径。
网络层另外一个重要的协议是ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）。它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。这个得记牢，面试会问到。

ip协议报头

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length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；最小长度为20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。由于MTU的限制，长度超过MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的IP分片数据报的长度远远没有达到最大值。
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).

例：一共要传输3800字节，每次最大只能传1400字节（因为还要加上ip固定头部字节的20字节,加起来就是1420字节），专所以只需传3次，即1400+1400+1000（一共3800字节）即可。
这样第一次传时，片偏移为0。第二次传时，片偏移为1400/8=175。第三次传时，片偏移为2800/8=350

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

ip地址划分

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。
手动划分麻烦，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：

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，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。

例题：

先看第一个问：210.222.5.121 & 255.255.255.248 的结果为 210.222.5.121，所以子网地址就为210.222.5.121。
第二个问：不看前面210.222.5，因为子网掩码的前面三段为255.255.255，它们相与的结果不变，还是210.222.5。看子网掩码最后一段11111000，某尾有3个0，那么可用的主机就有2^3 - 2 = 6个。因为要减去全0和全1，全0表示网段，全1表示广播地址
所以第三个问的答案就是：210.222.5.127

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:
①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;
②NAT技术(后面会重点介绍);
③IPv6: 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16777216个地址。
172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1048576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)。

路由

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。

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。
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
每一个路由器内部都维护一个路由表，路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表建立的主要目标是为了实现路由协议和静态路由选择。有兴趣可以自己下来深入了解。

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基本概念

ip协议报头

网段划分

私有ip地址和公网ip地址

路由

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