网络层详解

IP协议格式

IPv4 头部字段总长度可变（最小 20 字节，最大 60 字节），各字段按顺序定义如下：

1. 4 位 版本号（version）

• 作用：指定 IP 协议的版本
• 取值：对于 IPv4，固定为4

2. 4 位 头部长度（header length）

• 单位：32bit（4 字节）
• 计算：实际头部长度 = 该字段值 × 4 字节
• 限制：4bit 最大表示 15，因此 IP 头部最大长度为15×4=60 字节
• 说明：最小为 5（对应 20 字节，无选项字段）

3. 8 位 服务类型（Type Of Service, TOS）

• 结构：3 位 优先权字段（已弃用） + 4 位 TOS 字段 + 1 位 保留字段（必须置 0）
• 4 位 TOS 字段（四者互斥，仅能选其一）：
  • 最小延时：适用于 ssh、telnet 等交互型应用
  • 最大吞吐量：适用于 ftp 等大文件传输应用
  • 最高可靠性：适用于对数据完整性要求高的应用
  • 最小成本：适用于对网络费用敏感的应用

4. 16 位 总长度（total length）

• 作用：表示整个 IP 数据报（头部 + 数据）的总字节数
• 限制：16bit 最大表示 65535，因此 IP 数据报最大长度为 65535 字节

5. 16 位 标识（id）

• 作用：唯一标识主机发送的单个 IP 报文
• 分片规则：若 IP 报文在数据链路层被分片，所有分片片的 id 均相同，用于接收端重组

6. 3 位 标志字段（Flags）

• 位 1：保留位（未使用，置 0）
• 位 2：禁止分片位（DF）
  • 置 1：禁止分片，若报文长度超过 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元），IP 模块直接丢弃报文
  • 置 0：允许分片
• 位 3：更多分片位（MF）
  • 置 1：表示后续还有分片
  • 置 0：表示当前是最后一个分片（结束标记）

7. 13 位 分片偏移（fragment offset）

• 作用：表示当前分片在原始 IP 报文中的位置偏移
• 计算：实际偏移字节数 = 该字段值 × 8 字节
• 限制：除最后一个分片外，其他分片的长度必须是8 的整数倍，保证报文连续

8. 8 位 生存时间（Time To Live, TTL）

• 作用：限制数据报的最大路由跳数，防止路由循环
• 默认值：通常为64
• 规则：每经过一个路由器，TTL 减 1；若 TTL 减至 0 仍未到达目标，则丢弃报文

9. 8 位 协议（Protocol）

• 作用：标识 IP 上层所使用的协议类型
• 常见取值：TCP（6）、UDP（17）、ICMP（1）等

10. 16 位 头部校验和（Header Checksum）

• 作用：校验 IP 头部的完整性，鉴别头部是否损坏
• 算法：使用CRC 校验，仅校验头部，不校验数据部分

11. 32 位 源地址 + 32 位 目标地址

• 作用：分别表示发送端和接收端的IPv4 地址
• 特点：固定 32 位，占 4 字节 each

12. 选项字段（Options）

• 长度：不定长，最多 40 字节
• 作用：用于扩展 IP 功能（如记录路由、时间戳等）
• 说明：无特殊需求时可省略，此时头部长度为 20 字节

网段划分

网段划分的核心目的

如果所有网络设备的 IP 地址都没有规则，就像城市里的房子没有街道和门牌号 —— 既无法区分不同区域，也无法高效找到目标主机。

网段划分的作用就是给 IP 地址 “分区域、编门牌号”，实现两个核心目标：

1. 区分不同网络：通过网络号保证相互连接的网段有唯一标识（类似 “街道名”）；
2. 区分同一网络内的主机：通过主机号保证同一网段内的主机有唯一标识（类似 “门牌号”）；

网段划分的工具：子网掩码

网络号（Network ID）

• 作用：标识主机所在的网段，同一网段内的所有主机，网络号必须完全相同；
• 特点：不同网段的网络号必须不同，否则会导致网络冲突（无法区分两个网段）。

主机号（Host ID）

• 作用：标识网段内的具体主机，同一网段内的所有主机，主机号必须完全不同；
• 特点：主机号不能全为 0（表示网段本身，如192.168.1.0），也不能全为 1（表示网段广播地址，如192.168.1.255），一般也不是1，1默认代表网关。

怎么区分一个 IP 地址的哪部分是网络号，哪部分是主机号？答案是子网掩码—— 它是一个和 IP 地址长度相同的 32 位二进制数，通过 “按位与” 运算，提取 IP 地址的网络号。

如何判断两台主机是否在同一网段？

• 主机 A：192.168.1.10，子网掩码255.255.255.0
• 主机 B：192.168.1.20，子网掩码255.255.255.0
• 主机 C：192.168.2.10，子网掩码255.255.255.0

步骤 1：将 IP 和子网掩码转换为二进制，做按位与运算，得到网络号。

• 主机 A 网络号：192.168.1.0
• 主机 B 网络号：192.168.1.0
• 主机 C 网络号：192.168.2.0

步骤 2：比较网络号：

• 主机 A 和 B 网络号相同 →同一网段，可以直接通信；
• 主机 A 和 C 网络号不同 →不同网段，需要路由器转发才能通信。

子网的核心规则

1. 同一子网内：

   • 所有主机的网络号必须相同；

   • 所有主机的主机号必须唯一；

   • 主机之间可以直接通信（无需路由器）。

2. 不同子网之间：

   • 网络号必须不同；

   • 主机之间无法直接通信，必须通过路由器转发（路由器负责不同网段的数据包交换）。

DHCP

手动管理子网内的 IP 是相当麻烦的事情， 手动分配不仅效率低，还容易出现 IP 重复（冲突）。

DHCP 的核心作用

DHCP（动态主机配置协议）是一种自动分配 IP 地址的技术，它可以为子网内的新增主机自动分配：

• 唯一的 IP 地址（避免重复）；
• 子网掩码；
• 网关（路由器 IP）；
• DNS 服务器 IP 等。

DHCP 的常见部署场景

• 路由器内置 DHCP：家用或小型办公网络中，路由器默认开启 DHCP 功能，作为DHCP 服务器；
• 独立 DHCP 服务器：大型企业网络中，会部署专门的 DHCP 服务器，管理多个子网的 IP 分配。

DHCP 的工作流程

1. 新增主机（如你的电脑）启动后，广播发送DHCP 请求：“谁能给我分配一个 IP 地址？”
2. 子网内的 DHCP 服务器（路由器）收到请求后，从IP 地址池中选择一个未分配的 IP，回复DHCP 应答；
3. 主机收到应答后，使用该 IP 地址，完成网络配置。

有限的IPV4

这一分类是 IPv4 早期的地址分配方式，其核心问题是地址浪费严重（例如 A 类地址仅 7 位网络号，却包含约 1677 万主机位，多数大型网络用不完）。

解决方案1：CIDR

CIDR（无类域间路由）取代了传统的 A/B/C 类有类地址划分，通过灵活的子网掩码自由划分网络号和主机号（比如可以通过掩码把一个 C 类地址划分为多个小子网），大幅提高了 IP 地址的利用率，减少了 “大网段用不完、小网段不够用” 的浪费问题。

但CIDR 没有增加 IPv4 地址的绝对总数，依旧是42 亿的上限，无法从根本上解决地址枯竭问题。

解决方案2：NAT技术

NAT（Network Address Translation） 是一种运行在路由器（或网关）上的技术，它可以将内网私有 IP 地址和公网 IP 地址进行双向转换，实现内网主机通过公网 IP 访问互联网。

（1）静态 NAT（一对一映射）

• 规则：将一个固定的内网私有 IP永久映射到一个固定的公网 IP。
• 工作流程：
  1. 内网主机 A（192.168.1.10）需要访问外网服务器（203.0.113.1）；
  2. 路由器收到请求后，将源 IP 从 192.168.1.10 转换为固定公网 IP（120.79.1.1）；
  3. 外网服务器返回数据时，目标 IP 为 120.79.1.1，路由器再将其转换为 192.168.1.10，转发给内网主机。
• 适用场景：需要让外网主机主动访问内网服务的场景（如内网的 Web 服务器、FTP 服务器），通过静态 NAT 可以让外网用户通过固定公网 IP 访问内网服务器。
• 缺点：需要为每个内网服务主机分配一个公网 IP，依然消耗公网地址，无法大规模节省。

（2）动态 NAT（多对多映射）

• 规则：路由器维护一个公网 IP 地址池，当内网主机需要访问外网时，从地址池中动态分配一个未被使用的公网 IP进行映射，主机断开连接后，公网 IP 被释放回地址池。
• 工作流程：
  1. 路由器有公网 IP 池：120.79.1.1 ~ 120.79.1.10；
  2. 内网主机 A（192.168.1.10）访问外网，路由器分配 120.79.1.1；
  3. 内网主机 B（192.168.1.20）访问外网，路由器分配 120.79.1.2；
  4. 主机 A 断开连接后，120.79.1.1 被释放，可分配给其他内网主机。
• 适用场景：内网主机数量多于公网 IP 数量，但又需要同时访问外网的场景。
• 缺点：公网 IP 池的大小决定了同时访问外网的内网主机最大数量，依然需要一定数量的公网 IP。

解决方案3：NTPT

NAPT（Network Address and Port Translation） 是NAT 的扩展版本，是目前家庭、企业网络中最常用的方案。它不仅转换IP 地址，还转换传输层的端口号，实现多个内网主机共享一个公网 IP访问互联网。

TCP/UDP 协议的端口号（16 位，范围 0~65535） 可以标识主机上的不同应用程序。NAPT 通过 **“公网 IP + 公网端口号”** 与 **“内网 IP + 内网端口号”** 的一一映射，区分不同内网主机的请求。

工作流程（以家庭路由器为例）

• 路由器公网 IP：120.79.1.1；
• 内网主机 A：192.168.1.10，使用端口 50000 访问外网服务器（203.0.113.1，端口 80）；
• 内网主机 B：192.168.1.20，使用端口 60000 访问同一外网服务器（端口 80）。

步骤 1：内网主机发送请求

• 主机 A 发送的数据包：源 IP=192.168.1.10，源端口 = 50000；目标 IP=203.0.113.1，目标端口 = 80；
• 主机 B 发送的数据包：源 IP=192.168.1.20，源端口 = 60000；目标 IP=203.0.113.1，目标端口 = 80。

步骤 2：路由器做 NAPT 转换

路由器维护一个NAPT 映射表，为每个内网请求分配一个唯一的公网端口号：

• 主机 A 的数据包被转换为：源 IP=120.79.1.1，源端口 = 30000；目标 IP 和端口不变；
• 主机 B 的数据包被转换为：源 IP=120.79.1.1，源端口 = 30001；目标 IP 和端口不变。

步骤 3：外网服务器返回数据

外网服务器返回的数据包：

• 给主机 A 的：源 IP=203.0.113.1:80，目标 IP=120.79.1.1:30000；
• 给主机 B 的：源 IP=203.0.113.1:80，目标 IP=120.79.1.1:30001。

步骤 4：路由器反向转换并转发

路由器根据 NAPT 映射表，将目标 IP 和端口转换回内网 IP 和端口：

• 目标 30000 → 转发给 192.168.1.10:50000；
• 目标 30001 → 转发给 192.168.1.20:60000。

NAPT 的核心优势

• 极致节省公网 IP：一个公网 IP 理论上可以支持65535 个内网主机（通过不同端口号区分），完全满足家庭、小型企业的需求；
• 隐藏内网结构：外网主机只能看到路由器的公网 IP，无法直接访问内网主机，提高了内网安全性。

终极方案：IPV6

IPv6 是为彻底解决IPv4 地址枯竭问题而设计的新一代互联网协议，同时优化了 IPv4 的诸多缺陷，是互联网的长远发展方向。

IPv6 地址是128 位的二进制数，其理论地址总数为：2128≈3.4×1038这个数量级相当于 “给地球上每一粒沙子分配数万亿个 IP 地址”，彻底解决了地址不足的问题。

IPv6 地址不再使用 IPv4 的 “点分十进制”，而是采用冒分十六进制表示（将 128 位分为 8 组，每组 4 位十六进制数，组间用冒号分隔）。

例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

为了简化冗长的地址，IPv6 支持两种压缩方式：

• 规则 1：每组前导零可省略（但至少保留 1 位）例：0db8→db8，0000→0
• 规则 2：连续的全零组可替换为::（仅能使用一次）例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334→ 压缩为2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

错误示例：2001::db8::7334（::使用了两次，无法确定全零组的数量，是非法地址）

目前 IPv6 处于逐步普及、与 IPv4 共存的阶段：

私有IP与公网IP

IP 地址按 “是否能在互联网上直接路由” 分为两类：

私有 IP 地址范围

为了规范局域网的 IP 使用，RFC 1918（互联网标准文档）规定了 3 个私有 IP 地址段，所有局域网均从这 3 段中选择地址：

• 同一局域网内的私有 IP 必须唯一（避免内网冲突）；
• 不同局域网内的私有 IP 可以完全重复（因为彼此处于独立子网，不互通）。

路由器的WAN 口与LAN 口

家用 / 企业路由器是 “连接内网与外网” 的核心设备，它会同时配置两个 IP 地址，分别对应不同的网络：

LAN 口 IP（局域网 IP）

• 类型：私有 IP（通常是 192.168.1.1、192.168.0.1 等）；

• 作用：作为内网网关，是局域网内所有主机的 “出口”；

• 特点：同一路由器下的所有内网主机，必须与 LAN 口 IP 处于同一子网（如 LAN 口是 192.168.1.1，主机 IP 需是 192.168.1.x）。

WAN 口 IP（广域网 IP）

• 类型：可能是公网 IP，也可能是上级路由器的私有 IP（取决于网络层级）；

• 作用：是路由器在 “上级网络” 中的身份标识，用于与外网通信；

• 示例：

  • 若你家是光纤直连，WAN 口 IP 可能是运营商分配的公网 IP（如 120.79.1.1）；

  • 若你家是小区共享网络，WAN 口 IP 可能是小区路由器分配的私有 IP（如 10.100.2.3）。

子网的层级结构：从家庭到运营商

实际网络是多层子网嵌套的结构，私有 IP 与公网 IP 通过层级逐步衔接：

1. 家庭子网：

   • 路由器 LAN 口 IP（192.168.1.1）是网关，手机、电脑的 IP 是 192.168.1.2、192.168.1.3（私有 IP）；
   • 路由器 WAN 口 IP 是小区路由器分配的私有 IP（如 10.100.2.3）。

2. 小区子网：

   • 小区路由器的 LAN 口 IP 是 10.100.2.1（私有 IP），管理多个家庭路由器；
   • 小区路由器的 WAN 口 IP 是运营商区域路由器分配的 IP（如 202.103.1.5）。

3. 运营商核心网络：

   • 最外层的运营商核心路由器，WAN 口 IP 是公网 IP（直接在互联网上可路由）。

核心逻辑：每一层路由器都将 “下级子网” 封装为自己的一个节点，最终通过最外层的公网 IP 接入互联网。

为什么需要公网 IP 服务器？

如果想让自己的程序（如 Web 服务器）被互联网上的用户访问，必须满足一个条件：程序所在的主机拥有公网 IP。原因是：互联网上的用户只能通过 “全球唯一的公网 IP” 找到目标设备，而私有 IP 仅能在局域网内被识别。

家庭 / 企业内网的主机（用私有 IP）无法直接被公网访问，因此通常将程序部署在云服务器上， 云服务器会被分配一个固定公网 IP，可直接在互联网上被访问到。