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泛义的工具是文明的基础，而确指的工具却是愚人的器物

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[计算机网络] 03 [Layer] Internet

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2019-09-22 08:13，约3314字，阅读约7分钟
[计算机网络]
IP IPv4 IPv6
03e0cc0 fix add displayed_on_home 2022-11-20 14:49 源码

1 网络层的用途

上一篇中遗留了一部分问题 : Frame的丢失、乱序和重复等等，在网络层这里其实也无能为力😂😂😂。因为网络层解决的问题重点是分组&交换中的交换问题。虽然在数据链路层有交换机这样的设备负责Frame的转发和交换，但是它其实并无法满足我们的需要，那么为什么呢？我们来看一下基于Frame的转发交换存在哪些问题先：

  1. Frame的MAC不是真正含以上的地址 : 虽然MAC也叫做物理地址，不过它其实并不是真正的地址。我们通常意义上的地址是什么呢？比如你要给故宫博物院的院长写一封信，那么信封上的信息大致是这样的:
    邮编     : 100009 
收件人地址 : 北京市 东城区 景山前街4号 故宫博物院
收件人    : 院长
寄件人地址 : xxx yyy zzz
寄件人    : abc
    其中北京市 东城区 景山前街4号 故宫博物院这部分是真正意义上的地址，这部分信息是包含层级信息的，其目的是便于快速的定位。留意下邮编100009，这个其实也是地址，它也是层级的。
  2. MAC是固化到硬件中的，不便于控制和管理。

基于以上两个核心的问题，二层的交换机如果想要完成我们想要的转发和交换，那么它的MAC Address Table将会多么的巨大（MAC地址有248个，因为MAC没有层级，所以就无法分层处理转发和交换）。当然还有其他的原因，这里只是笔者的理解的一部分。

所以我们需要一个像邮编一样的包含位置信息的并且分层的地址来处理数据的转发和交换。那么网络层的用途就是实现转发和交换，向上层提供无连接的、尽最大努力交付的分组数据报服务。

2 IP(Internet Protocol)

IP(Internet Protocol)1是网络层定义的为了实现转发和交换的协议。通常我们也把IP Address称为IP，从设计之初IP就是一个包含位置信息的并且分层的地址。
网络层的PDU称之为Packet(包)，IP数据包或者IP数据报。目前IP有两个版本:

  1. IPv42 : 长度4 octet = 32 bit，可容纳232=4,294,967,296个地址，42亿+。
  2. IPv63 : 长度16 octet = 128 bit，可容纳2128=340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456个地址，我数不过来了。。。

2.1 IPv4 Packet

IPv4的Packet4:

ipv4-packet.txt 
|                          IPv4 Packet                          |
|- - - - - - - -+- - - 32 bit(4 octet)- - - - -+- - - - - - - - |
|0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7|
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|Version|  IHL  |   DSCP    |ECN|     Total Length              |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|      Identification           | |D|M|    Fragment Offset      |
|      (2 octet)                | |F|F|    (13 bit)             |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|      TTL      |   Protocol    |          Checksum             |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|           Source IP Address (4 octet)                         |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|           Destination IP Address (4 octet)                    |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|                                                               |
|                                                               |
|                   Options (if IHL > 5)                        |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|                   Payload                                     |
|                                                               |
|                                                               |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|

看起来很复杂的样子(其实就是很复杂...)，我们这里只关注几个重点的就可以了。

  1. Total Length : 长度
  2. TTL : Time To Live, Packet的生存时间，每经过一跳就减一，减到0就丢弃。
  3. Protocol : 上层协议的类型。
  4. Source IP Address : 源IP地址
  5. Destination IP Address : 目标IP地址
  6. Payload : 有效的负载数据部分。

2.1.1 TTL Field

为了防止Packet在转发过程中出现死循环回路，设置的一个值，一般默认是64，转发一次就减1，直到为0就丢弃掉。

2.1.2 Protocol Field

常见到的几个Protocol的值如下:

ValueProtocol
1ICMP Internet Control Message Protocol
2IGMP Internet Group Management Protocol
6TCP Transmission Control Protocol
17UDP User Datagram Protocol

2.2 IPv6 Packet

随着互联网的迅猛发展，IPv4的232=4,294,967,296个地址(42亿+)是远远不够的，期间开发出了NAT来缓解IPv4的问题，但是始终不是彻底解决问题的办法。故而早在1992年IEEE就着手开发下一代的IP了，于1996年发布了IPv63，把地址长度从32bit扩充到了128bit。同时也改进了一些之前IPv4协议族相关的一些不足之处。比如固定了协议的Header部分的长度(便于转发交换Packet)等等。

IPv6的Packet5:

ipv6-packet.txt 
|                          IPv6 Packet                          |
|- - - - - - - -+- - - 32 bit(4 octet) - - - - -+- - - - - - - -|
|0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7+0 1 2 3 4 5 6 7|
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|Version| Traffic Class |            Flow Label                 |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|      Payload Length           | Next Header   | Hop Limit     |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|                                                               |
|                                                               |
|           Source IP Address (16 octet)                        |
|                                                               |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|                                                               |
|                                                               |
|           Destination IP Address (16 octet)                   |
|                                                               |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|
|                   Payload                                     |
|                                                               |
|                                                               |
|- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -+- - - - - - - -|

3 IP Address

IP Address由Network Id(网络号)和Host Id(主机号)两部分组成，所以IP不仅仅是一个唯一标识一台主机，也包含其所在的网络。这就是开篇所提到的分层的地址，这样划分有2个重要的意义：

  1. IP的分组数据报只根据Network Id进行路由转发，而且Network Id也是分层级处理的，这就使得路由可以不必处理所有的IP。不然现实世界是无法实现这样的路由转发设备的。
  2. IP地址的分配机构只管分配Network Id部分即可。

3.1 IPv4 Address

IPv4长度为4octet=32bit。按照传统的网络分类6方式把IP分为了ABCDE五类。划分方式:

Class4 Octets(32bits)
Octet 1Octet 2Octet 3Octet 4
12345678123456781234567812345678
A08bits Network Id24bits Host Id
B1016bits Network Id16bitsHost Id
C11024bits Network Id8bits Host Id
D1110Multicast
E1111Reserved

地址数量和范围:

ClassNetwork CountOne Network IP CountIP RangeDefault Subnet Mask
A128=2716,777,216=2240.0.0.0~127.255.255.255255.0.0.0
B16,384=21465,536=216128.0.0.0~191.255.255.255255.255.0.0
C2,097,152=221256=28192.0.0.0~223.255.255.255255.255.255.0
DN/AN/A224.0.0.0~239.255.255.255N/A
EN/AN/A240.0.0.0~255.255.255.255N/A

3.1.1 Private IPv4 Addtess

IP地址中保留了一部分私有网络地址7，可以不用申请就可以直接使用:

CIDRNetwork CountIP RangeDefault Subnet MaskTotal IP CountClass
10.0.0.0/8110.0.0.0~10.255.255.255255.0.0.016,777,216=224A
172.16.0.0/1216172.16.0.0~172.31.255.255255.240.0.01,048,576=220B
192.168.0.0/16256192.168.0.0~192.168.255.255255.255.0.065,536=216C

3.2 CIDR

在IPv4 Addres的ABCEDE分类方式过于死板，网络号只能是8、16、24位，无法有效的对IP地址进行分类和路由。故而在1993年推出了CIDR(Classless Inter-Domain Routing)8，中文含义是无类别域间路由。CIDR使用VLSM(可变长度子网掩码)来进行子网划分，可以按照IP的每一个bit来分割子网，比传统的ABCDE的方式灵活太多了。而且可以方便的进行网络的聚合。比如:

  1. 192.168.1.0/29: 子网掩码是255.255.255.248）, 包含232-29=3=8个IP(192.168.1.0~192.168.1.7)。
  2. 192.168.1.8/29: 子网掩码是255.255.255.248）, 包含232-29=3=8个IP(192.168.1.8~192.168.1.15)。

192.168.1.0/29和192.168.1.8/29可以聚合为192.168.1.0/28，聚合后的子网掩码是255.255.255.240, 包含232-28=4=16个IP(192.168.1.1~192.168.1.15)

3.3 IPv6 Address

待补充...

3.4 特殊的IP Address

RFC57359定义了一些特殊的IP地址。常用的一些如下。

3.4.1 Loopback Address

中文称为回环地址10。回环的意思是说任何发往这个地址的数据，都不会被路由到网络上，而只会再次回到这个地址上来。

  1. IPv4: 127.0.0.1/8。
  2. IPv6: ::1/128。

这里指的是一个地址块，并不是一个地址，比如127.1.2.3也是回环地址，只是通常我们只用127.0.0.1就足够了。

3.4.2 Host Address

中文称为主机地址11。代表的是本机上所有的网络接口的IP地址。比如本机有一个外部IP1.2.3.4，一个私有IP192.168.1.2，还有一个默认的回环地址127.0.0.1，那么主机地址代表的是上述3个IP。不同于127.0.0.1的是，当我们的应用监听0.0.0.0时，意味着使用上述例子中的3个地址都可以访问。

  1. IPv4: 0.0.0.0。
  2. IPv6: 简写::, 完整0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000。

4 Referance

  1. Internet Protocol: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_Protocol ↩︎

  2. IPv4 : https://en.wikipedia.org/wiki/IPv4 ↩︎

  3. IPv6 : https://en.wikipedia.org/wiki/IPv6 ↩︎ ↩︎

  4. IPv4 Packet : https://github.com/linianhui/networking/blob/master/1-src/networking.model/Internet/IPv4Packet.Layout.cs ↩︎

  5. IPv6 Packet : https://github.com/linianhui/networking/blob/master/1-src/networking.model/Internet/IPv6Packet.Layout.cs ↩︎

  6. Classful Network : https://en.wikipedia.org/wiki/Classful_network ↩︎

  7. Private Network : https://en.wikipedia.org/wiki/Private_network ↩︎

  8. Classless Internet Domain Routing : https://en.wikipedia.org/wiki/Classless_Inter-Domain_Routing ↩︎

  9. Special Use IPv4 Addresses : https://tools.ietf.org/html/rfc5735 ↩︎

  10. Loopback Address : https://en.wikipedia.org/wiki/Loopback#Virtual_loopback_interface ↩︎

  11. 0.0.0.0 : https://en.wikipedia.org/wiki/0.0.0.0 ↩︎

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