【计算机网络】详解IP协议&网段划分&路由转发&子网掩码&网络号

用户10923276

发布于 2024-10-13 07:59:20

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一、IP功能

IP可以实现主机定位和路由选择，提供一种能力，将数据可靠地从A点跨网络送到B点。数据先根据目的IP在局域网之间进行转发，再在局域网内进行内网转发。

二、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 0，其他是 1。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除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。

三、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。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。

每一个子网都有唯一的标识，就是网络号。发送的报文在转发时可以根据网络号进行淘汰路径，直到找到目标网络。 CIDR(Classless Interdomain Routing)技术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。

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140.252.20.68, 子网掩码的高 24 位是 1，也就是 255.255.255.0。

四、私有IP和公网IP

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)。

五、运营商和路由转发

运营商将网络基础设施搭建好。我们将来所有的报文都必须经过运营商，无法绕过运营商。现在的路由器已经支持组建局域网，一般的家用设备所分配的IP地址都是192.168开头的IP地址。

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 。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)。 我们所有人访问网络都是在内网当中访问的，我们无法直接访问公网，公网由各国的运营商进行报文的转发 。

NAT 路由器收到外部的数据时， 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10，在NAT路由器内部，有一张自动生成的用于地址转换的表，当 10.0.0.10第一次向163.221.120.9发送数据时就会生成表中的映射关系。如果局域网内有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？这时候NAPT来解决这个问题了。使用IP+port来建立这个关联关系。这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下，建立连接时，就会生成这个表项，在断开连接后就会删除这个表项。

路由器要有路由发现的算法 。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。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。

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。

六、地区间的网段划分

这里为了方便，我们直接将各个国家作为网段划分单位，将每个国家的每个省作为更小一级的网段划分单位举例子。以IPv4为例，假设美国划分到的网段是1.0.0.0/8，中国划分到的网段是2.0.0.0/8，俄罗斯划分到的网段是3.0.0.0/8，也就是说拿出前八个比特位来区分国家。我们国家第一台国家级间的路由器IP地址就为2.0.0.1/8。