IP地址、路由器、数据分片、地址管理、子网掩码、路由选择、公网与私网

网络层

负责地址管理与路由选择。IP地址、路由器

• 4位协议版本：IPV4/IPV6
• 4位头部长度：IP报头也是不定长的。最长60字节，最短20字节。有40字节的选项数据，以4字节为单位。
• 8位TOS字段：3位优先权弃用，4位服务类型（最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本），1位保留。
• 16位数据大小：包含IP报头在内的一个IP报文的大小。最大65535–意味着一个IP报文的最大长度不能超过64K。tcp在传输层会自己选择合适大小MSS数据发送，udp报文数据大小应该小于64K-20-8。
• 16位分片标识：udp数据在网络层有可能会进行数据分片，标识当前分片属于哪个完整报文。
• 3位分片标志：1位保留，1位禁止分片标志–是否禁止分片。1位更多分片标志–类似于结尾标志。
• 13位分片偏移：以8个字节为单位。标识当前分片在完整报文中的位置（相对起始位置偏移量）
• 8位TTL：报文最大生存周期–一个数据能够经过多少路由器，经过一个路由器就会-1，为0的时候则将数据丢弃。（防止路由环路）
• 8位上层协议：在数据分用时，网络层取出数据，需要通过这个协议类型，决定传输层使用哪个协议对数据进行分用。
• 16位校验和：校验数据一致性。
• 32位源IP地址/32位目的IP地址：负责数据描述从哪个主机来到哪个主机去。描述起到到终点。
• 40字节选项数据：保存经过的路由器地址信息

网络层的数据分片

若传输层交付下来的数据大小过大，则会在网络层将这个大数据截断为多个小数据分片，然后每个分片封装IP报头进行发送。
到达对端之后进行分片重组，组合成为完整的一个报文交付给上层。

传输层交付下来的数据大小多大的时候就会分片？这个大小取决于链路层的一个限制。MTU(最大传输单元)

传输层tcp协议协商的MSS就是根据MTU计算得到的。因此tcp传输的数据到了网络层通常是不会进行分片的。
但是udp协议传输数据，只限制数据小于64K-28就可以传输。但是若大于MTU大小就会在网络层进行数据分片–网络层数据分片主要针对udp。

13位分片偏移，为什么要以8字节为单位？
13位能够表示的最大大小是2 ^ 10 * 2^3=8192。但是一个完整的udp报文有可能是接近64K的大小。
最后一个分片有可能偏移量都6万多了，13位的偏移大小是没法表示的。
因此这个字段中的大小是以8字节为单位的，8=2^3。这时候8192就表示具体的偏移量为8192*8=64K。这样就可以完整表示偏移量了。
因此每个分片除了最后一个，大小都是8的整数倍。

地址管理与路由选择：

地址管理：

IP-无符号32位的一个整数，在网络中唯一标识一台主机。
IP地址给主机的分配一定要保证唯一性。
网络非常大，人为分配是搞定不了的。只能机器分配–DHCP（动态地址分配）
整个网络上还有很多的小型网络组成的，按照网络进行地址分配。

IP地址的组成：网络号+主机号。

• 网络号：一个路由器组建局域网的时候，按照网络进行地址分配。
  每个路由器对于接收到的数据进行源地址判断，这个主机是否属于自己的网络。属于才会转发，不属于则直接丢弃。也就是必须使用我给你分配的地址才能上网。（我自己分配保证不会冲突，避免人人自己给自己设置IP，造成冲突）

• 主机号：主机号就是在局域网中大家拥有相同网络号的情况下，标识唯一的一个主机。
  主机号的唯一路由器很容易就可以实现。主要保证的是网络号到底如何划分。

网段的划分：

早期：将所有IP地址划分为五类地址，组建什么样的网络，就使用什么样的网络号，分配什么样的地址。

• A类：用于组建超大型网络，IP地址中：高1位固定0，高7位是网络号，低24位是主机号0.0.0.0~127.255.255.255
  比如我要组建超大网络，使用10.这个网络号，则这个网络的IP地址分配范围：10.0.0.0~10.255.255.255
• B类：用于组建中型网络，IP地址中：高2位固定10，高14位是网络号，低16位是主机号 128.0.0.0~191.255.255.255
• C类：用于组建小型网络，IP地址中：高3位固定100，高21位是网络号，低8位是主机号 192.0.0.0~223.255.255.255
• D类：特殊地址，地址中：高4位固定1110,28位多播组号
• E类：特殊地址，地址中：高5位固定11110,27位保留

你要组建什么网络，然后去权威机构进行申请，分配一个网络号。接下来组建网络，主机号的分配由自己完成。
早期的这种划分方式，已经几乎被淘汰。因为网络的划分太粗糙，对IP地址的浪费太大。作为了解即可。

当前划分方式：CIDR方案：引入一个新字段–子网掩码

子网掩码

子网掩码：无符号32位的整数，不过数据由连续的二进制1组成
1.子网掩码取反可以得到局域网中的最大主机号，从0到最大主机号就是局域网中主机号的分配范围 255.255.255.0
2.子网掩码与IP地址相与，可以得到网络号。路由器收到一个数据，拿数据的源地址与自己的网络号进行相与，看看与自己的网络号是否匹配。

现在有一个公司，申请了一个C类地址，192.168.122.0/24.公司有4个部门，想要平均划分出4个子网。请问如何划分，划分后各个子网的网络号是多少？子网掩码是多少？IP地址范围是多少？
C类网络：拥有256个主机号 0_{255：平均划分4个子网。那么每个子网的主机号64个，主机号范围0}63.
最大主机号取反就可以得到子网掩码： 00111111 -> 255.255.255.192
192.168.122.0~192.168.122.63 - 192.168.122.0 / 255.255.255.192
192.168.122.64~192.168.122.127 - 192.168.122.64 / 255.255.255.192
192.168.122.128~192.168.122.191 - 192.168.122.128 / 255.255.255.192
192.168.122.192~192.168.122.255 - 192.168.122.192 / 255.255.255.192

特殊的IP地址：
1.主机号全为0的IP地址192.168.122.0：网络号–用于标识网络–这个主机号不能分配给主机
2.主机号全为1的IP地址192.168.122.255：udp局域网广播地址–这个主机号不能分配给主机
udp支持局域网广播，将数据放松的广播地址，可以认为是发送给局域网中的所有主机–局域网所有主机都能收到
tcp不支持局域网一个地址广播，因为tcp是面向连接的。
3.127.0.1 ：这个地址是每个主机上都有的一个本地虚拟回环网卡地址–主要用于本机的网络测试
4.0.0.0.0 ：这个地址适配本机上任意网卡地址，常用语服务器监听服务–表示监听本机所有网卡IP
5.255.255.255.255 ：全网广播地址–任意一个主机拿到发往这个地址的数据都会认为和自己匹配–常用于DHCP广播

路由选择

路由选择：根据数据中的目的地址，来为数据选择一条合适的路径。

• 网关：就像是一个大门。不管在家里怎么走，想出去都要经过大门。
  每一个主机连接上路由器之后，都会全网广播dhcp请求。路由器收到后会进行回复。
• dhcp响应：
  给主机分配的IP地址
  当前所在网络的子网掩码
  当前所在网络的网关地址
  ……

每个路由器中，都包含有一张路由表。
Destination：目标网络 192.168.2.0 192.168.1.0
Gateway：网关地址
Genmask：子网掩码 255.255.255.0 255.255.255.0
Use lface：对应这个网络的网卡名称 eth0-作为组件局域网的网关网卡 eth1-作为连接上层网络的网卡

路由选择的过程，其实就是通过路由表进行目的知己的网络匹配，看是否是与自己相连的网络。如果是，则直接通过连接这个网络的网卡发送出去。如果不是，则将数据发送给自己的网关设备（上层路由器），让自己的网关设备进行选择。

公网与私网（内网与外网）：

IP地址不够用，除了dhcp之外还有一种NAT计数–网络地址转换技术
一个路由器可以组建一个私网，私网中的主机上网的时候都是用路由器对外的一个地址进行上网。
那么这个私网中的主机IP地址与其他私网中的主机IP地址都不害怕存在冲突问题了。因为对外她们都是使用路由器的地址进行上网的。
但是相邻的网络不能使用相同的网络号。网络是否相邻，主要取决与路由器的连线，与路由器相连的网络都属于相邻网络。

在RFC1918中规定，公网与私网，并且能够用于组建私网的地址有哪些：
10.* . * . * ：大型私网
172.16. * . * ~172.31. * . * ：中型私网
192.168. * .*：小型私网