TCP/IP协议系列

TCP/IP协议系列之网络基础

TCP/IP协议系列之物理层和数据链路层

在TCP/IP网络模型中，虽然说划分了五层，但是对物理层和数据链路层，TCP/IP并并没有做什么规范和限制，TCP/IP以这两层的功能是透明的为前提。所以，在网络层我们才真正的开始接触到TCP/IP协议。网络层是TCP/IP协议的心脏，是最核心的所在。

网络层的职责

回顾一下数据链路层的职责，是让处于同一个数据链路中的主机可以互相通信。而网络层的职责范围就更大了，让世界上任何两台已连网的主机之间都能实现互相通信。

为了实现这个目标，我们需要解决如下的几个问题：

1. 寻址，给世界上所有的主机分配唯一的地址，用来定位主机的位置；
2. 路由，我们需要能通过地址找到从发送端到接收端的最佳路径；
3. 数据包转发，找到路径以后，我们需要正确的把数据包通过中转站发送到接收端；

IP协议

IP协议是TCP/IP在网络层的核心协议，IP协议就是为了解决寻址、路由和数据包转发等问题。

寻址

在数据链路层的时候我们已经接触过了寻址的概念（(看这里)[https://blog.npex.top/post/20.html#mac地址），数据链路层使用MAC地址作为主机唯一地址，那在网络层是否也可以使用MAC地址呢？

答案是不行的，虽然MAC地址是唯一的，能够唯一标识一台主机，看上去是可行的，但是在网络层使用MAC地址标识主机会遇到很大的麻烦。

在数据链路层，接入网络的主机数量是有限的，所以交换机维护一个地址映射表是完全可行的。但是在网络层，接入的主机数据已经不是一个数量级了，所以维护一个MAC地址的映射表就不可能了。

所以在网络层，IP协议设计了新的地址，就是IP地址。接下来就看看IP地址是怎么设计的。

IP地址的格式

IP地址的格式如下：

IP地址使用4字节共32位表示，平时我们看到的IP地址都是使用十进制点符号表示的，例如：192.168.10.12 。

IP地址由网络地址和主机地址两部分组成：网络地址用来唯一定位一个网络，主机地址用来唯一定位该网络能的唯一主机。

网络地址和主机地址是一个此消彼长的关系，网络地址的位数越多，我们能划分的网络个数就越多，但是单个网络中能容纳的主机数量就越少（因为网络地址占的位数多，主机地址的位数自然就少了）；网络地址的位数越少，单个网络能容纳的主机数就越多，但是能划分的网络个数就越少。

接下来看一下IP地址分配的问题，首先看看我们的需求：

• 一个局域网我们称之为一个网络，网络内的主机都应该分配到IP地址；
• IP地址的网络位部分，我们叫做网段地址，网络位相同的IP地址就位于同一个网段，同一个网段的主机应该在同一个局域网中，方便我们对主机寻址；
• 网段能容纳的主机数量尽量匹配局域网内的主机数量，避免IP地址的浪费；

第一种分配方法

为了满足上面的需求，我们将网段根据能容纳主机的多少分成几个级别，然后给不同规模的网络分配不同级别的网段，这样就可以保证网络内的每台主机都有IP地址，同时他们也在同一个网段内，并且能尽量减少IP地址的浪费。

根据上述思路，我们将IP网段划分为了ABCDE五类。

A类

A类地址是0开头，网络位占8位，主机位占24位，网段从0.0.0.0到127.0.0.0，一个网段最多可以容纳16777214台主机。

B类

B类地址是10开头，网络位占16位，主机位占16位，网段从128.0.0.0到191.255.0.0，一个网段最多可以容纳65534台主机。

C类

C类地址是110开头，网络位占24位，主机位占8位，网段从192.0.0.0到223.255.255.0，一个网段最多可以容纳254台主机。

D类

C类地址是1110开头，网络位占32位，没有主机位，网段从224.0.0.0到239. 255. 255. 255，D类地址没有主机位，所以是特殊用途，一般用来做多播之类的功能。

E类

E类地址实际上是未划分的地址，是1111开头，保留使用。

总结

如上，我们把IP网段划分为了5种类型，我们就可以根据不同网络规模的需求，分配匹配的网段了，我们暂且把这种分配方法叫做分级法。

第二种分配方法

分级法有什么问题吗？肯定有，要不然就不会再出另外的方案了，问题如下：

1. 低估了网络发展的速度，网段不够用了；
2. 分级太过粗糙，ABC类地址容纳的主机数量跳跃幅度太大，所以一个网段分配出去，往往浪费的地址还是非常多；

总结一下，分级法的问题是分级太过粗糙了，为了解决这个问题，我们就必须摒弃掉这种固定的分级方式，转而使用灵活的网段划分方法。

假如现在有一个局域网内有255台设备，使用分级法就必须给这个网络分配一个B类网段，结果就是这个网段内的大部分地址都被浪费了。
如果我们可以把两个C类网段合并一下，然后分配给这个局域网，浪费就会大大减少了。合并的方法就是把C类地址的网络地址借一位给主机地址，这样这个网络能容纳的主机数就翻倍了。

这种分配方法叫做CIDR（无类别域间路由）。
在分级法中，不同的IP地址天然的就携带了网络位的信息，但是使用CIDR方法就发生了变化，网络位的长度不再是固定的了，所以引入了新的网络位表示方法。
例如地址：192.168.10.12，如果是分级法，这个地址默认就是C类地址，网络位占24位。但是在CIDR中需要这样表示：192.168.10.12/24，24表示网络位占24位。

CIDR进一步提升了IP地址的利用率，浪费的就更少了；同时可以根据网络规模任意的指定网络位长度，也相当于增加了网段的个数。

私有地址

一般情况下，一台主机要接入互联网，我们需要分配一个IP地址给它，这个IP地址要保证在全世界的任何一个地方都能寻址到这台主机，这个IP地址我们叫做公网地址。
还有一种情况，有些组织或者公司的内部网络，并不需要联网，但是如果要使用TCP/IP协议，网络中的主机也必须有IP地址，这种情况下的话就没必要分配公网地址给这些主机了，所以在IP地址划分的时候，划分了一部分地址作为内网地址，也就是私有地址。
在分级法中，ABC类地址都保留了一段作为私有地址，分别如下：

• A类地址中，私有地址的范围为：10.0.0.0到10.255.255.255；
• B类地址中，私有地址的范围为：172.16.0.0到172.31.255.255；
• C类地址中，私有地址的范围为：192.168.0.0到192.168.255.255；

那么分配私有地址有什么好处呢？
分配给广域网的IP地址必须是唯一的，就像身份证一样。但是局域网就不一样了，两个局域网之间本身是不互通的，所以他们是可以复用同一套IP地址的，这样也是非常大程度上节约了IP地址。

子网掩码

IP地址的网络位还有一种表示方法，就是子网掩码，如下图：

子网掩码是IP地址的一个属性，表示的是IP地址的网络位，子网掩码的规则也很简单，网络位都为1，主机位都为0。

所以CIDR表示法和子网掩码就是IP地址网络位的两种表示方法，仅此而已。相比较CIDR而言，子网掩码更容易参与计算，例如子网掩码和IP地址做与运算就可以得到IP地址的网段。

IPv4和IPv6

IPv4

使用32位表示的这种IP地址叫做IPv4，IPv4理论上最大能有2的32次方个IP地址可用，大概是43亿个左右。排除掉特殊作用的地址、分配给内网地址、未定义的地址的等等，剩下可用的总共大约40亿个左右。

现实的情况是，局域网内的设备基本全部使用私有地址分配，然后通过NAT等方式来访问公网，如果是商业宽带，可以从ISP处得到一个公网IP地址；如果是家庭宽带，很有可能得到的是一个NAT的私有地址。

即使是这样，IPv4地址也基本上已经全部分配完了，所以能看出来网络的发展速度是远超当初协议的设计者的想象的。

IPv6

当IPv4已经无法顺应时代需求的时候，IPv6就应运而生了，IPv6采用128位来表示，所以理论上IPv6能容纳的主机数为2的128次方。但是IPv6替换IPv4仍然任重道远。

路由

在网络世界里，两台主机的通信，实际上就是数据包从发送端主机一路传输到接收端主机的过程。这个过程很想是现实世界中的快递包裹运送的过程，发件方就是发送端，收件方就是接收端，数据包的投递过程就是快递公司将包裹送达的过程。

大家肯定都有过网购的经历，商家发货以后，快递员揽收，然后快递会到达最近的快递点，然后送到发件城市的转运中心，然后转运到到件城市的转运中心，发件地址不同或者快递不同可能中转的次数也不同，然后快递被送到到件地址的营业部，然后快递员送货。
不知道大家是否有过疑问，转运中心怎么知道这个快递下一个站点要送去哪里呢？他们肯定是有一个表格，记录了哪个地区的快递应该送到哪个转运中心。回到网络层，这个表格就是路由表（Routing Table），使用IP协议的网络节点都必须持有路由表，路由表决定了数据包该往哪里送。

这里有两个关键的问题：

1. 路由表怎么来的；
2. 路由表要怎么用；

再讨论这两个问题之前，我们先了解一个工作在网络层的设备：路由器。

路由器

路由器这个设备相信家家户户都有了，有些大户人家甚至有好多个。由于它工作在第三层，所以也叫他三层交换机。前面聊到的物理层和数据链路层都是针对局域网，路由器作为网络层的设备，就是连接局域网和广域网的桥梁。
路由器通常由两种类型的接口：WAN口和LAN口，如下图：

WAN和LAN前台由提到过，WAN就是广域网，LAN就是局域网，所以路由器一个端口接在广域网，一个端口接在局域网，所以说他是连接局域网和广域网的桥梁再形象不过了。因为路由器既在局域网，又在广域网，所以路由器自己就有会两个IP地址：局域网地址，用来和局域网设备通信；广域网地址，用来和广域网通信。

路由器主要承担如下的几种职责：

1. 路由：路由写在了路由器的名字里，这个职责的重要性就不言而喻了，路由器会维护一个路由表，发送到它这里的包都会根据路由表的规则进行转发；
   2.DHCP：如果局域网内设备众多，如果每一个都要手动指定IP，那就太辛苦了，所以自动管理IP的任务也落到了路由器头上，也就是DHCP服务；

路由表怎么用

所有支持IP协议的网络节点都会维护自己的路由表，先看一下路由表怎么使用，借用一张《图解TCP/IP》书中的一张图：

这张图展示了路由的过程，路由的过程就是寻找下一个节点的过程，现在了解一下路由过程中的一些概念：

• 路由表：路由表的形式就是类似图上的表格，要注意的是，第一列准确的说是网段地址，使用的是CIDR表示法，第二列是网段对应的目标IP地址；
• 源地址和目标地址：源地址是发送端的IP地址，目标接收端的IP地址；
• 默认路由：也可以叫默认网关，英文叫做Default Gateway，如果我们在自己的路由表里面找不到匹配的条目，就把数据包送到默认网关；

路由表是怎么来的

生成和维护路由表使用到一种协议叫做路由协议，路由协议也工作在第三层，依赖IP协议，它们的目标是生成高效的路由表来帮助节点选择最高效的转发路径。

路由协议涉及的内容很多，但是并不影响理解网络层（关键是我不懂），所以先跳过，后面另外整理。

数据转发

在通过路由找到下一个节点以后，现在就要把数据发送出去了。

发送数据需要调用数据链路层，数据链路层需要目标节点的MAC地址，但是我们现在只有IP地址，要怎么拿到MAC地址呢？
这里使用的就是ARP协议，ARP协议就是来解决只知道IP地址，不知道MAC地址的问题的，通过ARP协议我们就可以拿到下一个节点的MAC地址。

知道下一个节点的MAC地址以后，我们就要把数据发送过去了，在发送之前，IP协议也和以太网协议一样，需要在数据上面附加上协议的一些数据，来实现网络层的相关功能。

数据封装

之前我们了解过数据链路层对数据的封装，主要塞进去了源地址和目标地址、校验位等等信息。IP协议也对数据有一层封装，实际上IP层的封装比数据链路层要复杂一些，下面看看IP协议（IPv4）对数据的封装：

在数据链路层，封装完成的数据整体我们叫做一个数据帧（Data Frame），在IP协议中，我们称之为IP数据报（IP Datagram）。IP协议的首部总共占20 bytes，虽然和数据链路层在大小上差不了太多，但是携带的信息明显多得多了。

• Version（版本号）：占4位，记录的是IP协议的版本号，例如IPv4协议是版本4，IPv6是版本6，值得注意的是IPv6并不是IPv4的升级版本，它们是互相独立的协议版本，后面的数字只是用以区分而已；

• IHL（Internet Header Length：首部长度）：占4位，通常情况下IP首部长度位20 bytes，但是IP首部中存在可选项字段，也就是图中黄色的部分，可能会导致首部超出20 bytes，值得注意的是，这里的首部长度的单位是4 bytes，也就是说正常20 bytes的首部这个值是5，这样处理的原因我猜是4位能表示的长度有限；

• ToS（Type Of Service：服务类型）：占8位，表示的是上层服务期望能得到的可靠性，实际上这个字段基本没有投入使用，就不看了；

• Total Length（总长度）：占16位，表示的是首都加上数据部分的总长度，16位能表示的总长度为65535字节；

• Identification（ID：标识）/Flags（标志）/Fragment Offset（分片偏移量）：分别占16位、，3位和13位，这3个字段记录的都是分片相关的数据，标识是分片的ID，表示分片的顺序；标志分片的信息；偏移量表示的是当前分片相对于原始数据的位置，第一个分片是0，单位是每8字节，也就是没8字节记录为1；

• Time To Live（TTL：生存时间）：占8位，这里实际上不是时间的概念，而是经过路由器的个数，每经过1个就减1，减到0就丢弃，是为了避免IP包在网络内无限传递的问题，8位最多256，也就是说IP数据报最多转发256次就一定会丢弃；

• Protocol（协议）：占8位，表示上层协议是什么，可以类比数据链路层的Type字段；

• Header Checksum（IP首部校验和）：占16位，这里也可以类比数据链路层的FCS，但是要注意的是，这里只是首部的校验和，和数据无关；

• Source Address（源地址）/Destination Address（目标地址）：可以类比数据链路层的同字段，但是这里记录的是IP地址，作用就是让中间所有转发的节点都能知道数据报的来源和目的地；

分片

在聊数据链路层的时候知道了有一个MTU的概念，就是数据链路层能传输的最大数据帧大小，通常来说数据部分最大位1500字节。网络层的目标就是尽量让封装完成的数据报不要超过这个数字，避免数据链路层拆帧，所以当上层协议传入的数据报大于数据链路层的MTU时，IP协议就要对数据做分片。

发送

现在数据已经分好片了，也组装成了IP数据报的格式，同时也获取到了下一个节点的MAC地址，就可以调用数据链路层把数据发送出去了，那么在发送阶段IP协议还需要处理什么呢？

IP协议的数据发送逻辑是基于“尽力而为”的思路设计的，也就是说，IP协议会尽量把IP数据报送出去，但是并不保证一定能够到达，也不做重试，这些都交给上层协议来处理。

导致数据无法到达的情况有很多种，例如：目标主机的网络不通、目标主机是关机的状态、转发的跳数超过了TTL等等都会导致IP数据报被丢弃。

那当IP数据报被丢弃的时候怎么告知给上层协议的，答案是通过ICMP，丢弃IP数据报的节点会通过ICMP协议向发送端回送一个ICMP消息，通知发送端IP数据报被丢弃的具体原因。

但是要注意的是，IP协议不会直接处理ICMP回送过来的错误信息，这个信息会直接交由上层协议来处理。

其他网络层协议

DHCP

DHCP设计出来是用来搞定IP地址分配的问题的。试想一下一个大型局域网如果有1000个节点，每个节点都需要网络管理员来设置和维护IP地址，工作量肯定会非常大，还需要管理员能记录所有已分配的地址和未分配的地址信息。
所以就需要一个管理IP地址分配的服务，也就是DHCP服务，通常由局域网内的路由器来承担这个职责。
DHCP服务提供了如下几个能力：

1. 管理可用的IP地址池；
2. 自动给新加入网络的节点设置IP信息，包括IP地址，子网掩码，默认网关等等；
3. 管理IP地址租期，给IP地址续期或回收；

DHCP发现

DHCP通过4次请求完成IP地址的分配。

NAT

NAT的背景上面有聊到过一些，原因还是因为IP地址的不足，导致没办法给每台接入网络的主机都分一个全局地址，但是主机又要接入广域网，那怎么办呢？NAT就应运而生了。

NAT的思路是在局域网内，主机都分配私有地址，当局域网内的主机作为发送端发送数据到广域网时，在路由器中，对发送端的IP地址做一次转换，转换成公网地址；在局域网主机作为接收端时也是一样的处理方式，路由器接收到数据时，会将全局地址转换为私有地址，然后转发给对应的主机。

从上面的描述可以看出来，路由器中肯定维护了一张映射表，来搞定转发的规则。但是如果内网中所有的主机共用同一个全局地址，该怎么映射呢？

这就是NAT的别扭之处，因为全局地址只有一个，无法同时映射到多个私有地址，所以NAT用到了IP地址+端口号来做映射。我们知道网络层IP地址是唯一地址，但是NAT中无法仅使用IP地址完成功能，提前引入了传输层的端口号，那么NAT到底是网络层协议还是传输层协议呢？

实际上，NAT协议还是划分为网络层协议，因为他的能力还是服务于网络层。