Linux 网络(5)

1.网络层

主机: 配有IP地址, 但是不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; 节点: 主机和路由器的统称;

协议头格式

1. 4 位版本号

• 作用：指定 IP 协议版本
• IPv4 固定为 4，IPv6 为 6

2. 4 位头部长度

• 作用：表示 IP 头部包含多少个 32bit（4 字节）的 “字”
• 计算：头部字节数 = 该字段值 × 4
• 范围：字段值 5~15 → 头部长度 20~60 字节
  • 无选项时：字段值 = 5 → 20 字节（固定头部）
  • 最大头部：字段值 = 15 → 60 字节

3. 8 位服务类型

• 作用：指示传输优先级（现在多被 DSCP 替代）
• 4 位可选目标（互斥，只能选一个）：
  • 最小延时：适合 ssh/telnet
  • 最大吞吐量：适合 ftp
  • 最高可靠性：适合关键数据
  • 最小成本：适合普通数据

4. 16 位总长度

• 作用：表示整个 IP 数据报（头部 + 数据）的总字节数
• 最大：65535 字节

5. 16 位标识

• 作用：唯一标识一个原始 IP 报文
• 分片时：同一个原始报文的所有分片，ID 完全相同，用于接收端重组

6. 3 位标志字段

• 第 1 位：保留，必须为 0
• 第 2 位（DF，Don’t Fragment）：
  • 1：禁止分片，报文超过 MTU 直接丢弃
  • 0：允许分片
• 第 3 位（MF，More Fragments）：
  • 1：还有后续分片
  • 0：这是最后一个分片

7. 13 位分片偏移

• 作用：表示当前分片在原始报文中的位置
• 计算：实际偏移字节数 = 该字段值 × 8
• 约束：除最后一个分片外，其他分片长度必须是 8 的倍数，保证报文连续

8. 8 位 TTL（生存时间）

• 作用：限制报文在网络中的最大跳数，防止路由循环
• 规则：初始值一般 64，每经过一个路由器 TTL -= 1，减到 0 则丢弃

9. 8 位协议（Protocol）

• 作用：标识上层协议类型
• 常见值：
  • TCP：6
  • UDP：17
  • ICMP：1

10. 16 位头部校验和

• 作用：仅校验 IP 头部是否损坏，不校验数据部分
• 原理：通过 CRC 类算法计算，接收端重新校验，不一致则丢弃

11. 32 位源地址 / 目标地址

• 作用：标识发送端和接收端的 IP 地址

12. 选项字段

• 长度：0~40 字节，用于扩展功能（如时间戳、安全选项）
• 特点：一般很少使用，常规通信可忽略

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;

• 同一网段内：网络标识相同，主机标识不同 → 可以直接通信，不需要经过路由器。
• 不同网段间：网络标识不同 → 必须通过路由器转发才能通信，路由器的作用就是连接不同网段，实现跨网段数据转发。

那么问题来了, 手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.

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(该图出 自[TCPIP]

早期 IPv4 按 A/B/C 类固定划分网络号和主机号，存在严重问题：

• 地址浪费：B 类地址理论上可容纳 6 万 + 主机，A 类更多，但实际子网很少需要这么多主机，大量地址闲置。
• 分配失衡：B 类地址很快耗尽，A 类却大量浪费

为解决地址浪费，提出 CIDR，核心是灵活划分网络号与主机号：

计算过程：

• 子网掩码 255.255.255.0 表示前 24 位为网络位，后 8 位为主机位。
• 按位与：IP 地址后 8 位（68）与掩码后 8 位（0）运算，结果为 0，因此网络号为 140.252.20.0。
• 子网范围：主机位（后 8 位）从全 0 到全 1，即 0 ~ 255，对应地址范围 140.252.20.0 ~ 140.252.20.255。

计算过程：

• 子网掩码 255.255.255.240（二进制 11110000）表示前 28 位为网络位，后 4 位为主机位。
• 按位与：IP 最后一字节 68（二进制 01000100）与掩码最后一字节 240（11110000）运算，结果为 01000000（即 64），因此网络号为 140.252.20.64。
• 子网范围：主机位（后 4 位）从全 0（0）到全 1（15），即 64 + 0 = 64 到 64 + 15 = 79，对应地址范围 140.252.20.64 ~ 140.252.20.79。

子网掩码的二进制表示中，从右往左数，连续有多少个 0，就有多少位是主机位，这些位就是参与 “网络号计算” 和 “子网范围划分” 的部分。

1. 基础上限

IPv4 是4 字节（32 位） 的正整数，总地址数为 232，约 43 亿个，TCP/IP 协议要求每个主机（实际按网卡）需配置 IP。

2. 实际可用远不足 43 亿的关键原因

• 存在特殊预留 IP 地址（不可用于普通主机）；

• 分配粒度：按网卡配置（一个主机可多网卡，一个网卡可配多 IP），并非按主机台数分配。

3. CIDR 的局限性

CIDR 仅能提升地址利用率、减少浪费，不会增加 IPv4 地址的绝对上限，仍无法解决地址短缺问题。

4. 三大核心解决方式（细节完整）

13.私有 IP与公网 IP 

二、路由器的 IP 配置与子网规则（细节完整）

三、NAT（网络地址转换）核心机制

四、公网访问服务的要求

如果希望自己实现的服务器程序能够在公网上被访问，必须将程序部署在具有公网 IP的服务器上（如阿里云、腾讯云等云服务器）。

私有 IP 访问公网的 “一去一回”，核心是靠 NAT（网络地址转换，实际多用 NAPT 端口转换） 完成 “身份转换” 和 “身份还原”：

去程：私有 IP “变身” 公网 IP

• 发起请求：内网主机（如 192.168.1.100:12345）向公网服务器（如 223.5.5.5）发送请求，数据包先到网关路由器。
• NAT 转换：路由器将数据包的源 IP从私有 IP（192.168.1.100）替换为自身 WAN 口公网 IP（如 122.77.241.3），同时将源端口替换为临时端口（如 54321），并在本地维护一张 NAT 映射表
• 公网传输：转换后的数据包以公网 IP 身份在互联网中传输，顺利到达目标服务器。

回程：公网 IP “还原” 私有 IP

• 去程：靠 NAT 把私有 IP “翻译” 成公网 IP，让数据包能在公网路由。
• 回程：靠 NAT 映射表把公网 IP “翻译” 回私有 IP，让响应包精准回到内网主机。
• NAPT 关键：同时转换 IP 和端口，让多个私有 IP 主机共享同一个公网 IP 访问公网，路由器靠端口号区分不同连接。

LAN IP（局域网 IP）的作用

LAN IP 是路由器在内网侧的 IP 地址（通常是私有 IP，如 192.168.1.1），它的核心作用是：

WAN IP（广域网 IP）的作用

WAN IP 是路由器在公网侧的 IP 地址（通常是公网 IP 或上级子网 IP，如 122.77.241.3），它的核心作用是：

你可以把路由器当成：

• 在家里的大门（LAN）

• 在外面互联网的对外地址（WAN）

一、LAN IP 是啥？

就是路由器在家里局域网的门牌号比如：192.168.1.1

作用只有一个：管家里 → 所有内网设备（手机、电脑）要上网，都先找这个 LAN IP 出门。

二、WAN IP 是啥？

就是路由器在互联网上的真实门牌号外面只认这个，不认你家里的私有 IP。

三、在「一去一回」里到底干啥？

1）去的时候（内网 → 公网）

• 你的手机 / 电脑：先把包交给 LAN IP（交给家里大门）

• 路由器拿到包：把发件人改成 WAN IP

• 这样包才能在外面正常跑

一句话：LAN IP 负责收家里的包；WAN IP 负责让包能出去见人。

2）回来的时候（公网 → 内网）

• 外面服务器回包：只发给 WAN IP（只认识你家对外地址）

• 路由器收到：查一下表里对应哪个内网设备

• 再通过 LAN IP 把包送到你手机 / 电脑

一句话：WAN IP 负责把包领回家；LAN IP 负责把包送到你手里

• 去的时候数据包：先找 LAN IP 出门 → 路由器换成 WAN IP 去公网顺序：内网 IP → LAN IP → WAN IP → 公网

• 回来的时候数据包：先找 WAN IP 回家 → 路由器换回内网 IP，通过 LAN IP 发给你顺序：公网 → WAN IP → LAN IP → 内网 IP

LAN/WAN 是路，映射表是「家里谁发的请求」的花名册。没有映射表，包能回到你家，但不知道给你手机、还是你电脑、还是你电视。

我给你举个例子

你家：

• 大门 = LAN IP

• 对外地址 = WAN IP

• 家里有 3 个人：你手机、你电脑、你平板

去的时候（发请求）

• 你手机：我要上网 → 走大门（LAN）

• 你电脑：我也要上网 → 走大门（LAN）

• 你平板：我也要 → 走大门（LAN）

路由器统一换成 WAN IP 发出去。

问题来了：

外面服务器回包时，只知道发到你家 WAN IP但家里 3 台设备，包该给谁？

映射表就是干这个的

路由器在「去的时候」，偷偷记了一张表：

• 手机：12345 → 公网端口：54321

• 电脑：67890 → 公网端口：54322

• 平板：11111 → 公网端口：54323

这张表，就叫 NAT 映射表。

回来的时候：

• 包到 WAN → 看一眼目标端口是 54321

• 查映射表 → 哦！是手机的

• 再通过 LAN 发给手机

14.路由

一、路由的核心概念：Hop by Hop（一跳一跳）

二、IP 数据包的传输流程

三、路由表的作用与结构

1. 路由表的作用

像 “问路指南”，记录了 “到某个网络该走哪条路、下一跳是谁”。

2. 路由表字段详解（以示例表为例）

示例路由表解读：

• 192.168.10.0 与 192.168.56.0 是直连网络（无 G 标志），分别通过 eth0 和 eth1 接口直接通信。
• default 是缺省路由（有 G 标志），所有不匹配其他条目的数据包，都交给网关 192.168.10.1，从 eth0 发出。

例子 1：目的地址 192.168.56.3

例子 2：目的地址 202.10.1.2

• 直连网络：路由表中无 G 标志的条目，数据包可直接从对应接口发送，无需路由器转发。
• 缺省路由：路由表最后一行，当目的地址与其他条目都不匹配时，按缺省路由转发。
• 路由表查看：可使用 route 命令查看本机路由表。

一句话总结：路由表是网络中的 “导航地图”，通过 “按位与” 判断目的网络所属条目，直连网络直接发，非直连找下一跳，找不到就走缺省路由。