网络层是干什么的网络层最核心的任务一句话概括在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。想象一下你从北京寄快递到广州中间要经过无数个中转站。网络层就是那个决定走哪条路的角色。它不关心具体怎么传输那是数据链路层的事只关心从源到目的数据包该怎么跳。基本概念主机配有IP地址也要进行路由控制的设备。路由器即配有IP地址又能进行路由控制的设备。节点主机和路由器的统称。注意主机和路由器都能进行路由控制但路由器是专门做这个的主机通常只处理自己的流量。IP协议网络层的核心IP协议是网络层最重要的协议。IP协议头格式一个IPv4数据报的头部结构如下每行32位共4字节| 4位版本 | 4位首部长度 | 8位服务类型(TOS) | 16位总长度(字节数) | | 16位标识 | 3位标志 | 13位片偏移 | | 8位生存时间(TTL) | 8位协议 | 16位首部检验和 | | 32位源IP地址 | | 32位目的IP地址 | | 选项(如果有) | | 数据 |下面逐个字段解释4位版本号version指定IP协议的版本对于IPv4来说就是4。如果是IPv6这里就是6。不过IPv6的头部格式和IPv4完全不同。4位头部长度header lengthIP头部的长度是多少个32bit即4字节。4位最大能表示15所以IP头部最大长度是15×460字节。最小是5即20字节没有选项时。8位服务类型Type Of Service, TOS包含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一个。对于SSH/Telnet这类交互式应用最小延时比较重要。对于FTP这类文件传输最大吞吐量比较重要。扩展现代网络中TOS字段已被DSCP差分服务代码点取代用于QoS服务质量控制。16位总长度total lengthIP数据报整体占多少个字节。最大65535字节。但实际受MTU限制通常会分片。16位标识id唯一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。接收方靠这个字段把分片重新组装起来。3位标志字段第一位保留现在不用以后可能用。第二位置1表示禁止分片。如果报文长度超过MTUIP模块就会丢弃报文并返回ICMP差错。第三位表示更多分片。如果分片了最后一个分片置0其他置1。类似于结束标记。13位分片偏移fragmentation offset分片相对于原始IP报文开始处的偏移。实际偏移的字节数是这个值×8。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。举例一个4000字节的IP数据报MTU为1500。分片后片1偏移0长度1480数据部分更多分片1片2偏移1480/8185长度1480更多分片1片3偏移2960/8370长度1040更多分片08位生存时间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减1一直减到0还没到达就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。扩展TTL也是traceroute工具的原理。traceroute发送TTL1、2、3...的包每个路由器返回ICMP超时从而画出路径。8位协议表示上层协议的类型。比如1ICMP6TCP17UDP16位头部校验和使用CRC进行校验来鉴别头部是否损坏。注意只校验头部不校验数据部分。32位源地址和32位目标地址表示发送端和接收端。这是IP协议最核心的信息。选项字段不定长最多40字节。网段划分IP地址的奥秘为什么需要网段划分核心原因网络太大必须分层定位互联网是一个巨大的网络连接了全球数十亿设备。如果所有设备都在同一个“平面”上没有任何层级划分那么路由器无法工作路由器转发数据时需要知道“往哪个方向发”。如果每个IP地址都是孤立的路由器就必须记住全球每一台设备的精确位置这根本不可能。寻址效率极低就像寄快递如果全世界的地址都没有“省-市-区-街道”的层级快递员每送一件包裹都要查遍全球所有地址效率会低到无法想象。划分IP地址就是把地址分成“网络号”和“主机号”两部分。网络号相当于“省-市-区”告诉路由器这个设备属于哪个大区域。主机号相当于“街道-门牌号”告诉路由器在这个区域里具体是哪台设备。这样路由器只需要知道“去哪个网络号该走哪条路”而不需要记住每一台主机。数据包先按网络号被送到正确的子网再在子网内按主机号找到目标设备。这就是分层寻址是互联网能够扩展到今天这个规模的基础。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。历史原因早期“分类划分”是为了简化管理过去曾提出把IP地址分为A、B、C、D、E五类。这种划分方式在当时是有道理的A类给超大型网络如国家级网络网络号少主机号多。B类给中型网络如大学、大公司网络号和主机号适中。C类给小型网络网络号多主机号少。为什么要这样分因为早期没有子网掩码的概念路由器只能通过IP地址的前几位来判断网络号。分类划分让路由器可以快速识别一个IP属于哪类网络从而决定如何转发。这是一种“用地址结构换处理速度”的设计。现实问题分类划分导致严重浪费随着Internet飞速发展这种划分方案的局限性很快显现大多数组织都申请B类地址因为A类太大一个子网能容纳1600多万台主机C类太小只能容纳254台主机B类刚好6万5千多台。结果B类地址很快分配完了而A类地址却大量浪费。例如一个组织申请了B类地址理论上能容纳6万5千多台主机但实际网络中根本用不到这么多大量IP地址被闲置。这就是“划分方式不合理”带来的后果地址利用率极低。新方案CIDR——更灵活的划分针对上述问题提出了CIDR无类别域间路由。它的核心思想是不再固定网络号的位数而是引入子网掩码来灵活区分网络号和主机号。网络号和主机号的划分与A类、B类、C类无关。例如140.252.20.68/24 表示前24位是网络号后8位是主机号而 140.252.20.68/26 则表示前26位是网络号后6位是主机号。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。CIDR的好处按需分配一个公司需要1000个IP可以分配一个/22的网段1024个地址而不是浪费一个B类地址65536个地址。提高利用率减少了地址浪费缓解了IPv4地址枯竭的问题。路由聚合多个连续的小网段可以合并成一个大网段减少路由表条目提高路由器效率。特殊的IP地址网络号将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。广播地址将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。环回地址127.*的IP地址用于本机环回loopback测试通常是127.0.0.1。IP地址的数量限制与解决方案IPv4地址是一个4字节32位的正整数一共只有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技术网络地址转换后面重点介绍。IPv6IPv6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。扩展IPv6地址数量为2的128次方理论上可以为地球上每一粒沙子分配一个IP地址。目前全球IPv6普及率在逐年提升中国三大运营商已全面支持IPv6。私有IP地址和公网IP地址私有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RFC1918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。公网与私网的连接关键点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。NAT技术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NATNetwork 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。路由一跳一跳的问路过程路由的基本概念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。主机A到主机B的传输过程主机A发送数据给路由器A路由器A查看目的IP决定下一跳是路由器B。路由器B再决定下一跳是路由器C最终到达主机B。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。那么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。路由表详解路由表可以使用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DestinationGatewayGenmaskFlagsMetricRefUseIface192.168.10.0*255.255.255.0U000eth0192.168.56.0*255.255.255.0U000eth1127.0.0.0*255.0.0.0U000lodefault192.168.10.100.0.0.0UG000eth0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。“查表”是核心决策“下一跳”是执行动作。路由表生成算法路由表可以由网络管理员手动维护静态路由也可以通过一些算法自动生成动态路由。常见的动态路由算法包括距离向量算法如RIP协议每个路由器维护到所有目的地的距离向量定期与邻居交换。链路状态算法LS如OSPF协议每个路由器收集全网链路状态用Dijkstra算法计算最短路径。Dijkstra算法经典的最短路径算法用于链路状态路由。总结与复习要点网络层功能在复杂网络环境中确定合适路径。IP协议头版本、首部长度、TOS、总长度、标识、标志、片偏移、TTL、协议、校验和、源/目的IP、选项。网段划分网络号主机号CIDR用子网掩码灵活划分。特殊IP网络号主机全0、广播地址主机全1、环回地址127.*。IP数量限制IPv4只有43亿地址解决方案有动态分配、NAT、IPv6。私有IP10.、172.16.~172.31.、192.168.。NAT路由器替换IP地址实现私网与公网通信。路由一跳一跳问路依靠路由表缺省路由兜底。路由表生成静态路由、动态路由距离向量、链路状态、Dijkstra。