1. IP协议基本了解
1.1 基本概念
主机：有IP，但不能进行路由控制。
路由器：既有IP又可以路由控制。
节点：主机和路由器的统称。
1.2 头格式
4位版本号：ipv4
4位头部长度：代表有多少个32个比特位，即length*4字节数，4bit表示最大数字是15，即首部最大长度是60字节。
8位服务类型：3位优先权字段（弃用），4位tos字段，1位保留字段（要重置为0）；4位tos表示最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本，这四个互相冲突，根据不同场景选一个。
16位总长度：IP数据报整体占多少字节。
16位标识：唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个分片里面的这个id都是相同的。
3位标志字段：第一位保留（现在不用，以后说不定用到），第二位为1是表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP就会丢弃报文，第三位表示“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0，类似结束标记。
13位分片偏移：是分片相当于原始IP报文开始处偏移，其实就是在表示当前分片在原报文中处于哪个位置，实际偏移字节数就是这个值*8（以8字节为单位），所以除了最后一个报文，其他报文长度必须为8的整数倍。
8位生存时间（TTL）：数据报到达⽬的地的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由，TTL-=1，如果减到0没有送到，就丢弃这个报文，主要防止路由循环。
8位协议：表示上层协议类型，6=TCP，17=UDP，1=ICMP。
16位头部校验和：使用CRC进行校验，判断头部是否损坏。
32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
IP地址用点分十进制来表示，每个部分取值0~255
选项：可选，0~40 字节。用于记录路由、时间戳等，实际很少用。
数据：上层协议数据（TCP/UDP 报文）。
2. 地址管理
2.1 网段划分
IP地址主要两个部分：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。
子网其实就是把网络号相同的主机放到⼀起。
如果在子网中新增一台主机，则这台主机的⽹络号和这个子网的网络号⼀致，但是主机号一定不能和子网中的其他主机重复。
通过设置网络号和主机号，可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP不同，但是如果手动管理IP地址很麻烦，这需要DHCP技术，功能简单来说就是自动给网络里的新主机分配IP地址，不用手动管理。路由器有带有DHCP功能，因此可以路由器看成是一个DHCP服务器。
过去提出划分网络号和主机号的方案，如图：
| 类别 | 范围 | 用途 |
|---|---|---|
| A 类 | 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 | 大型网络 |
| B 类 | 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 | 中型网络 |
| C 类 | 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 | 小型网络 |
| D 类 | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 | 组播（Multicast） |
| E 类 | 240.0.0.0 ~ 247.255.255.255 | 保留（实验用） |
但是如果按照这样的情况划分，很多组织选择B类地址，B类很快分配完，导致A类大量浪费，如果申请B类地址，理论上一个子网可以容下6万5千多个主机，但是不存在一个子网那么多个主机情况，因此大量IP也浪费掉了。
针对以上提出新的划分方案：CIDR
- 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)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
- 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
- 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关
划分子网案例：
划分子网的例子1
| 项目 | 十进制表示 | 十六进制表示 |
|---|---|---|
| IP 地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
| 子网掩码 | 255.255.255.0 | FF FF FF 00 |
| 网络号 | 140.252.20.0 | 8C FC 14 00 |
| 子网地址范围 | 140.252.20.0 ~ 140.252.20.255 |
划分子网的例子2
| 项目 | 十进制表示 | 十六进制表示 |
|---|---|---|
| IP 地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
| 子网掩码 | 255.255.255.240 | FF FF FF F0 |
| 网络号 | 140.252.20.64 | 8C FC 14 40 |
| 子网地址范围 | 140.252.20.64 ~ 140.252.20.79 |
将IP地址 140.252.20.68 以二进制表示：10001100.11111100.00010100.01000100
其子网掩码 255.255.255.0二进制表示：11111111.11111111.11111111.00000000
将两者进行“与”运算得到网络号：10001100.11111100.00010100.00000000 十进制表示为140.252.20.0
2.2 特殊IP
- 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
2.3 IP地址数量限制
ipv4有32位，那么一共有2^32次方个IP地址，大概是43亿左右，按照网卡算的IP数量，一个网卡设置1个或多个IP地址。
CIDR一定程度减缓了IP的不够用的问题（只是提高利用率，减少浪费，并没有提高使用数量上限），可以通过以下方法解决：
- 动态分配IP：上网分配，不上不分配，早期这个方案可行，现在依旧紧张。
- NAT技术：网络地址映射（核心），下面细说。
- ipv6：是ipv4的升级，但是两者没有联系，ipv6是128为表示地址的。
2.4 私有IP地址和公网IP地址
| 私有IP | 公网IP | |
| 定义 | 局域网内部使用，不能直接上互联网 | 全球唯一，可直接上互联网 |
| 谁分配 | 你自己（路由器/DHCP） | 运营商（ISP） |
| 是否唯一 | 内网唯一，不同内网可重复 | 全球唯一 |
| 能否直接上网 | ❌ 需要 NAT 转换 | ✅ 直接可访问 |
| 费用 | 免费 | 要花钱买/租 |
- 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，包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP(或公网IP)
- 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)。
- 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
- 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)。子网内的主机IP地址不能重复。但是子网之间的IP地址就可以重复了。
- 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点。这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。
- 子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。
- 如果希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上。这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买。
3. 路由选择
在复杂的网络里找到一条通向终点的路，这个“跳”的动作相当于问路。
IP数据包的传输就是问路的过程：
- 当数据包达到路由器时，路由器查看目的IP
- 路由器决定这个数据包传给下个路由器还是目标主机
- 一次反复知道到达目的IP地址
怎么判断数据包发送哪里？依靠节点里维护的一个路由表
第1步：主机A 发货（查自己的路由表）
主机A 要发数据给主机B。它先查自己的路由表，发现“主机B”不在本地局域网内。
于是，它把数据包发给自己的默认网关——路由器A。
（图中：快递员说“发给路由器A即可，再往后可以咨询路由器A”）
第2步：路由器A 中转（查路由表）
路由器A 收到包，发现目标 IP 是主机B。
它查自己的路由表，发现“去主机B”的下一跳应该是路由器B。
于是，路由器A 把包转发给路由器B。
（图中：路由器A 看着手里的路由表，指向了主机B的方向）
第3步：路由器B 送达（查路由表）
路由器B 收到包，再次查自己的路由表。
发现主机B 就连接在自己的某个端口（局域网）上，或者已经到达最终目的地。
路由器B 直接把包交给主机B。
4. NAT机制
4.1 网络转发
有两个设备A，B
（1）如果A，B在一个局域网，直接按照IP转发即可，在内网里IP也不会重复
（2）如果A，B在两个不同的局域网，默认无法直接通信，必须经过各自网关和路由器的转发。如果路由不通，才会禁止/丢包。
（3）如果A是内网IP设备，B是外网IP设备，A可以主动访问B，B不能主动访问A（如果A已经访问B了，B可以原路返回找到A）
（4）如果A和B都是外网IP，则不涉及NAT直接转发
4.2 NAT传输过程
基础设定：
内网 A 互联网 内网 B ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │ 主机A │ │ 服务器B │ │ 192.168.1.100│ │ 10.0.0.5 │ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │ │ ┌──────┴───────┐ ┌──────┴───────┐ │ 路由器A │ │ 路由器B │ │ LAN:192.168.1.1│ │ LAN:10.0.0.1 │ │ WAN:113.1.1.1 │ │ WAN:203.1.1.1│ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │ │ └────────────────── 互联网 ──────────────────────────────┘| 设备 | IP |
|---|---|
| 主机 A（内网 A） | 192.168.1.100:50000 |
| 路由器 A LAN | 192.168.1.1 |
| 路由器 A WAN | 113.1.1.1 |
| 服务器 B（内网 B） | 10.0.0.5:80 |
| 路由器 B LAN | 10.0.0.1 |
| 路由器 B WAN | 203.1.1.1 |
步骤：
（1）主机A发出请求：
源 IP：192.168.1.100 源端口：50000 目标 IP：203.1.1.1（路由器 B 的公网 IP） 目标端口：8080由于目标IP不是同一个子网下的，所以需要发送给网关（路由器A的lan口：192.168.1.1）。
（2）路由器 A 做地址转换
路由器A收到包：
源 IP：192.168.1.100:50000 目标 IP：203.1.1.1:8080进行地址转换：
源 IP：192.168.1.100 → 113.1.1.1 源端口：50000 → 60000（分配新端口）记录在NAT表里：
113.1.1.1:60000 ↔ 192.168.1.100:50000从路由器A发出去的包：
源 IP：113.1.1.1:60000 目标 IP：203.1.1.1:8080（3）数据包在互联网上转发
逐跳转发到达路由器B
（4）路由器 B 做地址转换
路由器B收到包：
源 IP：113.1.1.1:60000 目标 IP：203.1.1.1:8080查看端口映射：
203.1.1.1:8080 → 10.0.0.5:80目的地址转换：
目标 IP：203.1.1.1 → 10.0.0.5 目标端口：8080 → 80转发到服务器B：
源 IP：113.1.1.1:60000（不变） 目标 IP：10.0.0.5:80
