文章目录
- 概要&序論
- 一、如何理解IP协议
- 二、IP的核心作用与构成
- 2.1 IP的核心作用与定位
- 2.1.1 主机到主机与进程到进程
- 2.1.2 通过生活比喻理解网络分层
- 2.2 IP地址的构成与寻址
- 2.2.1 IP地址的组成
- 2.2.2 路由的本质与关键设备
- 三、IP协议的核心构成与工作机制
- 3.1 IP协议的版本与头部结构
- 3.1.1 IPv4头部字段布局
- 3.1.2 头部字段的解析与计算
- 3.2 服务类型与路由选择
- 3.2.1 8位服务类型（TOS）
- 3.2.2 服务类型的实际应用
- 3.3 数据包的内核表示
- 3.3.1 struct iphdr 结构体
- 3.3.2 sk_buff 结构
- 3.4 网络环路与TTL机制
- 3.4.1 网络环形转发问题
- 3.4.2 TTL的工作原理
- 3.5 数据链路层干扰与首部校验和
- 3.5.1 电磁干扰与比特翻转——16位首部校验和的由来
概要&序論
Hello大家好，我是此方。终于把传输层协议讲完了！按照从上到下的讲解顺序，我们来到了倒数第三层——网络层。
这篇文章会从IP地址构成与路由寻址出发，详解IPv4头部结构、服务类型（TOS）及路由选择。进而结合Linux内核sk_buff结构，探讨数据包的内核表示。最后重点解析TTL机制如何防止网络环路，以及首部校验和如何应对链路层干扰
一、如何理解IP协议
IP协议：提供一种能力，把数据报从A主机，跨网络，送到B主机。
所谓“能力”，在字典意义上可以解释为：有非常大的概率，能做到某件事情。但是有能力不代表这件事情一定可以办成！
我们来讲述一个不恰当的故事：张三品学兼优。张三的爸爸是市教育厅主任，现在有一个保送名额。张三爸爸想要让张三拿到，于是组织考试，数学考到150分可以保送。张三有考取150分的能力，但是不能保证一定能考到150分，那么考上了，皆大欢喜，考不上怎么办呢？张三爸爸就会重新组织考试，直到张三考到了150分，前面所有的考试作废，以此为准。
目的：将报文100%发送给对方。
张三爸爸提供策略 => 传输层协议TCP；张三提供能力 => 网络层协议IP。
把数据100%可靠的从主机A发送到主机B（这也是网络要解决的核心问题与它的核心功能）。
二、IP的核心作用与构成
2.1 IP的核心作用与定位
2.1.1 主机到主机与进程到进程
IP协议解决的是“主机到主机”的通信问题。要在茫茫网络中找到并定位一台特定的机器，就必须给每台主机分配一个独一无二的IP地址（这里我们暂且只讨论公网IP），它就像现实中的门牌号一样，用于唯一标识这台主机。而当数据包跨越网络到达目标主机后，还要面临“交给哪个程序处理”的问题——这正是传输层（TCP/UDP）要解决的“进程到进程”通信问题。为了区分同一台主机上的不同进程，传输层引入了端口号，确保数据能准确送达对应的应用程序。
2.1.2 通过生活比喻理解网络分层
我问你去旅游，去长城是直接到长城还是先到北京再到长城？去兵马俑是直接去兵马俑还是先去西安再到兵马俑？
2.2 IP地址的构成与寻址
2.2.1 IP地址的组成
IP = 目标网络 + 目标主机。例如128.18.45.165，其中前段表示子网，后段表示主机。
2.2.2 路由的本质与关键设备
路由的本质理解：路上的时候，本质是在进行从一个子网，进入另一个子网。
主机：配有IP地址，也要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；工作在网络层。当代路由器，已经是一台小型计算机了！是可以工作在应用层的！
节点：主机和路由器的统称。
三、IP协议的核心构成与工作机制
3.1 IP协议的版本与头部结构
3.1.1 IPv4头部字段布局
有IPv4和IPv6两个版本，两个版本不互相兼容。IPv4头部包含以下字段：
3.1.2 头部字段的解析与计算
我们现在明白了，为什么我们当初写代码要把点分十进制转化成4字节IP传递给下层。四位首部长度还是老样子 [20,60]；16位总长度-四位首部长度=数据长度；四位首部长度-20字节=选项长度。两者联合解决了解包问题。
3.2 服务类型与路由选择
3.2.1 8位服务类型（TOS）
8位服务类型（Type Of Service）由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0）组成。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。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
3.2.2 服务类型的实际应用
如何理解8位服务类型？比如，我们有这样一个报文发送给路由器，我们将8位服务类型中的最小延迟被置为1。路由器会根据报文中的八位服务类型选择要走哪条路。
3.3 数据包的内核表示
3.3.1 struct iphdr 结构体
在内核代码中，IP头部通过struct iphdr 结构体表示，代码中处理了大小端问题。
3.3.2 sk_buff 结构
在 sk_buff 结构中，有 head、data、tail、end 指针。通过向上指向IP报头的位置，也就是sizeof(iphdr)，然后强制类型转换为iphdr*类型，填入数据。数据区包含头空间、二层帧头、IP协议头、TCP协议头、应用层数据、尾空间。
3.4 网络环路与TTL机制
3.4.1 网络环形转发问题
我们全世界的网络系统非常无比复杂。一定会有因为软件编写bug，路由表转发策略问题，硬件架设存在问题，我们的报文会在网络中的某几个路由器中引发环形转发的问题。如图，这个报文不断的在三个路由器之间循环转发，同时有集线器帮助放大信号，让这个循环无休止的进行下去。这样的报文越来越多，就会占用网络资源，导致全球网络设备周期性大范围重启。
3.4.2 TTL的工作原理
如何理解TTL？我们通过 ping 命令可以看到，ttl=49。TTL就是一个计数器，表示报文的最大报文生存时间，转发一定次数后报文自动丢弃。
3.5 数据链路层干扰与首部校验和
3.5.1 电磁干扰与比特翻转——16位首部校验和的由来
我们的计算机硬件在布线的时候，几根线可能会比较近，于是会引发一个问题，我们初中时学过：当大量数据传输的时候，电流量大，电流会产生磁场与周围的布线相互影响。引发问题：部分比特翻转，信号出现个别错误——于是我们就需要16位首部校验和。
