【网络编程】第十章 网络层-IP（分片组装+网段+路由+NAT）

本文主要是介绍【网络编程】第十章 网络层-IP（分片组装+网段+路由+NAT），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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重点

• 网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径.
• 理解 IP 地址，理解 IP 地址和 MAC 地址的区别
• 理解 IP 协议格式
• 了解网段划分方法
• 理解如何解决 IP 数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案
• 理解私有 IP 和公网 IP
• 理解网络层的 IP 地址路由过程
• 理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地
• 理解 IP 数据包分包的原因
• 了解 NAT 设备的工作原理

概念

• 应用层：解决如何传输数据的问题
• 传输层：解决可靠性问题
• 网络层：数据往哪里传，怎么找到目标主机
• 数据链路层（物理层）：数据在物理硬件层面上传输

网络层的 IP 协议，拥有将数据从 A 主机发送到 B 主机的能力，并不代表每次都能成功送达，失败了就由传输层兜底重传

• 主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。但实际现在几乎不存在不进行路由控制的设备了，就连你的笔记本也会进行路由控制。
• 路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制。
• 节点：主机和路由器的统称。

IP协议

IPV4 中报文的格式

• 4位版本号：指定 IP 协议的版本，IPV4 来说就是 4，IPV6 来说就是 6
• 4位首部长度：IP 报头的长度，以4字节为单位，标准长度需要用四位首部长度 * 4字节
• 8位服务类型：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，只能四选一
• 16位总长度：IP报头+有效载荷的总长度
• 16位标识：唯一的标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片对应的id都是相同的
• 3位标志字段：

1. 第一位保留，表示现在不用。
2. 第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。
3. 第三位表示“更多分片”，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，最后一个分片置为 0， 其他分片报文都是 1，0 就类似于一个分片报文段的结束标记

更多分片为 0，且分片偏移为 0，代表当前报文没有进行分片；
更多分片为 1，且分片偏移为 0，代表当前是分片后报文中的第一个；
更多分片为 0，且分片偏移不为 0，代表当前是分片报文中的最后一个；

• 13位片偏移：分片相对于原始数据载荷开始处的偏移，表示当前分片在原数据载荷中的哪个位置，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。如果数据载荷不足 8 的整数倍，需要进行向下取整！比如某个分片的数据载荷部分是 1476 字节，并非 8 的整数倍，那就应该选择1476/8=184.5 向下取整，即采用 8*184=1472 为该报文的数据载荷长度
• 8位生存时间（TTL）：控制 IP 报文能在网络层传输的时间，每经过一个路由，TTL 减一，一直减到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，ICMP 1，IGMP 2，TCP 6，UDP 17，IPv6 41，OSPF 89
• 16位首部检验和：检测数据是否损坏，采用因特网检验和
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端所对应的IP地址
• 选项字段：不定长，最多15×4 = 40字 节，首部默认20字节

IP 协议的报文中没有端口号，因为端口号是传输层应该解决的事情

4位首部长度

IP从底层获取到一个报文后，首先读取报文的前20个字节，并从中提取出4位的首部长度，计算报头大小，报头大小 - 20字节得到选项，读完选项剩下都是有效载荷

8位生存时间（TTL）

8位生存时间代表的是报文到达目的地的最大报文跳数，每当报文经过一次路由，这里的生存时间就会减一，当生存时间减为0时该报文就会被自动丢弃

分片

传输层一次向下交付的数据太多了会导致分片，数据链路层不支持过大的数据，这就需要在发送方网络层对数据进行分片，分片后的每片都有独立ip，分片会提高丢包的概率，影响传输速率

MTU-最大传输单元

将IP传下来的数据封装成数据帧，然后发送到网络当中，数据帧不能超过MTU，数据帧一般为1500字节

分片过程

分片报文	总字节数	IP报头字节数	数据字节数	16位标识	“更多分片”	13位片偏移
1	1500	20	1480	123	1	0
2	1500	20	1480	123	1	185
3	1500	20	1480	123	1	370
4	60	20	40	123	0	555

假设IP层要发送4500字节的数据，由于该数据超过了MAC帧规定的MTU，因此IP需要先将该数据进行分片

IP报头如果不携带选项字段，那么其大小就是20字节，IP层添加的IP报头的长度就是20字节，并将数据分片四个分片报文

假设四个分片报文的16位标识都是123，则每片的id都是123

如果报文进行了分片，最后一个分片置为 0， 其他分片报文都是 1，0 就类似于一个分片报文段的结束标记

由于报文的长度必须是8的整数倍，如果数据载荷不足 8 的整数倍，需要进行向下取整，1480÷8 = 185

(1480+1480)÷8 = 370 (1480+1480+1480)÷8 = 555

总字节数相加为1480+1480+1480+40=4480，不是4500因为，加上 IP 报头 20 字节

组装

在接收方网络层对数据进行组装，根据16位标识来确定当前分片属于哪一个 “组”，再将当前报文和后续收到同一组的报文集合在一起

• 先找到分片报文中13位片偏移为0的分片报文，然后提取出其IP报头当中的16位总长度字段，通过计算即可得出下一个分片报文所对应的13位片偏移，按照此方式依次将各个分片报文拼接起来。

• 直到拼接到一个“更多分片”标志位为0的分片报文，此时表明分片报文组装完毕。

网段

IP = 网络号 + 主机号，例如ip为1.1.1.1

1.1.1.      1
网段   主机号

• 网络号：标识该地址所在的网络
• 主机号：标识该地址所对应主机上的具体设备

网段划分

• 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。

子网掩码

• 引入子网掩码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，一串 1 开头，如255.255.255.0；
• 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；
• 假设IP地址是192.168.128.10，子网掩码进行“按位与”操作后得到的就是192.168.128.0，就是网络号

子网划分的目的：就是提高查找目标主机的效率

特殊IP

只能用于局域网

• 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。

loopback 环回

• 如果是环回程序，会把报文发给IP输入函数读取上去，不将其插入到以太网中。

• 如果不是环回程序的话，插入到以太网中

解决IP地址不足问题

• 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址

• NAT技术：能够让不同局域网当中同时存在两个相同的IP地址

• IPv6：IPv6用16字节128位来表示一个IP地址

私有 IP

• 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。

访问广域网和返回的步骤

• LAN：表示连接本地网络的端口，也是子网，基本都是192.168.1.1
• WAN：表示连接广域网的端口，一般指互联网

主机 A，访问目的IP122.77.241.10 的具体步骤,192.168.1.201 是本地私有ip，10.1.1.2是运营商私有ip，122.77.241.4是运营商公网ip

本地主机A发送IP家庭路由器B	源IP：192.168.1.201	目的IP：122.77.241.10
路由器B收到报文后，检测目的IP，发现并不是局域网的IP 于是交付给上层的运营商路由器C，报文的源IP被修改为家用路由器B的wan口IP	源IP：10.1.1.2	目的IP：122.77.241.10
广域网IP寻址操作，找到目标公网IP的主机，再将报文发送给该主机	源IP：122.77.241.4	目的IP：122.77.241.10

目的ip122.77.241.4返回数据过程，本地ip192.168.1.201，10.1.1.1是运营商私有ip，122.77.241.3公网ip

目标主机返回报文，先到达运营商服务器	源IP：122.77.241.10	目的IP：122.77.241.4
确定局域网 IP 后，就修改当前报文的目的 IP，继续往局域网转发	源IP：122.77.241.10	目的IP：10.1.1.2
家庭路由器B发送IP本地主机A	源IP：122.77.241.10	目的IP：192.168.1.201

NAT

由于私网IP不能出现在公网当中，路由器会不断将数据包IP首部中的源IP地址替换成路由器的WAN口IP，NAT是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法

NAPT-网络地址端口转换表

NAT路由器内部，用于地址转换的表。局域网中主机的私有IP 和 外网当中的某个公网IP之间的映射关系

• 当局域网中的主机向外网发送数据时，路由器会将源IP地址替换为自己的WAN口IP地址，并建立该主机私有IP与其对应访问的公网IP之间的映射关系，同时加上一个路由器选定的端口号。
• 当外网发来响应数据时，NAT路由器又会将目的IP地址替换成局域网中对应主机的LAN口IP地址，路由器就能通过IP+Port的方式来区分发给不同主机的数据包。
• 例如主机A和主机B用端口1010 访问同一个网站，此时路由器先接收一个主机请求，将源IP换成WAN口 ip端口号用1010，第二个接受的主机将源IP换成WAN口 ip端口号用1011

NAT技术的缺陷

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接，因为外部无法知道内部的私网IP，也就无法主动与内部服务器建立连接。
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销。
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开。

NAT和代理服务器

代理网络用户去取得网络信息

• NAT 在网络层工作，对 IP 地址进行替换；代理服务器是在应用层工作
• NAT设备是网络基础设备之一，解决的是IP不足的问题，而代理服务器则是更贴近具体应用，加速器

正向代理

一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，客户端并不直接访问目标服务器，而是先访问代理服务器，由代理服务器代替客户端去访问对应的目标服务器，并将目标服务器的响应结果返回给客户端

• 缓存常用的内容，从而减少对目标服务器的请求，提高访问速度
• 访问控制和过滤，限制用户访问特定网站或资源

反向代理

一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，对于客户端而言，反向代理服务器就相当于目标服务器，用户不需要知道目标服务器的地址

• 百度内部实际并不是只有一台服务器，但不同地区的人们都可以通过访问www.baidu.com享受到百度提供的服务
• 反向代理可以起到负载均衡的作用。比如不设置反向代理服务器，那么用户在访问百度时，就会随机访问到百度内部的某台服务器，此时就可能导致某些服务器压力太大，而某些服务器却处于闲置状态。
• 便于统一管理服务器集群，提供统一入网服务器
• 提高了安全性，所有访问先查询是不是在黑名单或者是白名单

为什么私网IP不能出现在公网当中

• 不同的局域网中主机的IP地址可能是相同的，所以私网IP无法唯一标识一台主机
• 数据包必须要经过运营商的路由器

路由

实际就是一跳一跳“问路”的过程， “一跳” 就是数据链路层中的一个区间

路由表查询的具体过程

• 首先检测是或否是当前局域网中的 IP，是则可以直接转发到目标主机；
• 不是则查看自己的路由表，是否保存了这个 IP 应该往哪里走；
• 路由表没有保存，则和其他与自己相连的路由器通信（信息同步），问他们这个 IP 应该给谁
• 路由器经过路由表查询后，没有发现匹配的子网，此时路由器会将该数据转发给默认路由

route

route命令可以查看服务器上对应那些路由表

• Destination代表的是目的网络地址。
• Gateway代表的是下一跳地址，_gateway 以及 0.0.0.0 代表的都是默认网关
• Genmask代表的是子网掩码。
• Flags中，U标志表示此条目有效，G标志表示某个路由器的地址，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。
• Iface代表的是发送接口。

将目的ip和路由表中子网掩码"按位与"之后得到网络地址，再和Destination比较，两者相等代表当前ip就是需要通过该项路由，此时通过Iface接口发出去，如果和Destination不相等，则继续与下一个子网掩码比较，以此类推，最后由default 默认路由发送出去。

这篇关于【网络编程】第十章 网络层-IP（分片组装+网段+路由+NAT）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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