网络层的前世今生（一）：IP协议

从这篇文章开始就要进入到网络层的学习了，这是计算机网络中实现通信的最后一层（到运输层就是端对端协议了），而且这一层的内容比较复杂，所以大家做好心理准备，这层有三个很重要的组成部分必须掌握：IP协议，ICMP协议，和路由选择协议（RIP，BGP，OSPF）。其中IP协议是整个网络层中最基本的部分，也是大家最常见的部分，因此我会从IP协议开始讲起。

IP协议，就是Internet Protocol，它的功能就是实现整个网络的互联，这篇文章的主要内容就是讲述IP的编址，不说了，先上图。

这个图应该是大家比较熟悉的一张图了，我会按这张图中的信息来介绍IP协议，ARP协议，DHCP协议，CIDR和NAT协议，这里只介绍上半部分的东西，DNS部分可以看我之前的文章。

首先，每个连接互联网的设备都需要有一个IP地址（IP address），那么怎么对IP地址进行编址就成了首要任务，对此我们用32个位来表示IP地址，为了方便记忆，每8位之间用”.”隔开，然后用二进制表示，比如 00101101 01101100 0011110111111100 这个地址就可以用45.108.61.252来表示，其中按IP地址容量又可以分为ABCDE五类。

第一眼看上去有没有“这是个什么东西”的感觉？因为这是按位分的，所以我们换成二进制就一目了然了。

这样我们可以看到，A类地址以0开头，B类地址以10开头，C类地址以110开头，D类地址以1110开头，E类地址表示剩下的部分。

当ISP（网络服务供应商）获得一类IP地址的时候，网络号是固定的，只有主机号是可以分配的，比如A类地址有24位主机号，就是说最多可以分配2的24次方台主机，B类最多65536台，C类是256台，D类作为多播组号，这个暂时不讲，E类留待后用。

事实上，这些类别的地址数不是2的x次方，而应该是2的x次方-2，每个起始的IP（比如0.0.0.0）代表一个IP地址未知的主机，而最后一个IP（比如255.255.255.255）代表广播地址，向这个地址发送数据报相当于向整个网络发送数据报，因此C类地址应该只有256-2=254个地址可用。

每组网络号都可以分配一个子网，比如144.54.3.66/24后面的/24代表网络号的长度，那么这个IP地址就是是一个C类地址，属于144.54.3.0/24这个子网，但是144.54.3.66/16和上面IP的不同，因为它在144.54.0.0/16子网下，属于B类地址，这两个IP地址其实是两个不同的地址。

在实际分配中很快就会发现一个问题，比如一个公司有1000台主机，用C类地址不够，用B类地址又及其浪费，那怎么办？那就不分类好了，也就是CIDR（无类别域间路由选择， ClasslessInterdomain Routing），1000接近且小于1024（2的10次方），那么就分配给它一个主机号位为10的地址就可以了，这时候网络号是22，随便举个例子，比如起始IP是45.108.60.0，那么划分给该区域的IP范围就是45.108.60.0/22 - 45.108.63.255/22，看不懂没关系，转成二进制就明显了，因为主机号是10位，所以除了最后的八位之外还要加上前面的两位。

看懂了吗？

到这里我们也就明白了CIDR是个什么东西了吧，原来只有/8，/16，/24三个网络号（也就是对应的A、B、C类），现在将这个类别去掉了，就可以规定任意数（大于1小于32）作为网络号了，这样在一定的情况下保证了用户按需分配。

关于子网掩码（subnetmask），其实就是IP地址后面的/xx，但是它还有另一种写法，比如/24就可以写成255.255.255.0，在上面那张图中主机的IP就是192.168.2.196/24。

在这里说一下网关（gateway）的概念，从字面意思上来理解就是，通向网络的大门，那么我们知道，互联网是通过路由器连接起来的，我们用到的主机都是网络的终端部分（边缘部分），接入网络时需要与网络最边缘的路由器进行交流，因此，通向网络的大门当然也就是指路由器了，相应地，默认网关就是直连你主机的路由器。

在我们自己的电脑中看到的可能不是手动输入的IP地址，而是“自动获取IP地址”，这意思就是说，不用自己手动配置IP地址和子网掩码，系统可以自动获取，那么这就涉及到另一个协议了——DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）。

举个例子来说明DHCP出现的必要性，比如在大学里面，你需要使用网线或者学校的WIFI（例如DLMU-test）才可以连接上校园网，而且学生们用的全都是笔记本，手机，平板这样的移动设备，指不定什么时候就会连接或断开，我插上网线或使用WIFI时才会连接网络，其他时间并不需要专门分配一个IP地址给我，假如学校有两万学生，但是同时在线的不超过五千，那就没必要分配两万个IP地址，而且，考虑到我有可能带着电脑从宿舍到图书馆，再到教室，很有可能在每个位置都会连接到一个新的子网，这样我在每个位置都需要一个新的IP地址，因此，给设备分配一个临时的IP地址就是非常有必要的了。

DHCP是一个典型的即插即用协议（plug and play protocol），不用手工分配IP地址，非常方便，需要注意的是，DHCP并不是网络层协议，而是应用层协议，它使用67端口，建立在UDP协议上，下面我们来看一下DHCP协议的工作原理：

①子网中建立至少1台DHCP服务器，用于管理IP地址的分配；

②当有一台新设备接入子网中，它会使用UDP协议向端口67发送一个DHCP发现报文（DHCP discovermessage），因为不知道DHCP服务器的IP地址，所以它会发送到广播地址255.255.255.255，这时候设备的IP地址为0.0.0.0；

③附近的DHCP服务器收到报文，找出一个可用的IP地址，加上子网掩码和IP地址租借期，组成DHCP提供报文（DHCP offer message）并响应，但由于不知道设备的地址，因此会发到广播目的地址255.255.255.255；

④设备收到DHCP服务器提供的IP地址（1个或多个，因为DHCP服务器不一定只有一个），之后选出一个IP地址，并向提供该IP地址的DHCP服务器发送一个DHCP请求报文（DHCP request message）；

⑤服务器用DHCP ACK报文进行响应，确认该设备的参数

一旦客户收到DHCPACK报文后，交互就完成了，该客户就可以使用服务器提供的IP地址了，当然也有可能出现客户使用时间超过租借时间的情况，这时候客户就会重新向DHCP服务器发送该IP的请求报文，DHCP服务器回应ACK后即可实现续借。

虽然有32位表示的IP地址，虽然有子网划分，但是随着电子产品的爆炸式增长，这些地址终究是不够用的，比如一个三口之家，2台电脑，3部手机，1台在线电视，可能还会有游戏机，平板电脑等等一堆需要联网的设备，这样的话上面所说的IP地址是远远不够用的，其实早在二十多年前就已经有人意识到这个问题了，但是他们提出了一个方法，让这个眼看着地址就快要用尽的问题推迟了二十多年，それはNATです（Network Address Translation，网络地址转换）。

这个名字听起来可能有点陌生，但是你们听说过内网和外网吧？没错，NAT就是这么个东西。

使用NAT需要至少一个有效的外部全球IP地址，拥有该IP地址的是NAT路由器，它作为整个网络的“网关”，网络内部可以使用自己指定的IP地址而不用去考虑会不会和外界冲突，因为该网络内的所有主机访问外网时都会通过NAT路由器转成路由器的IP地址，只要保证路由器的IP地址是唯一的就行了。

NAT有很多实现技术，其中最常用的是PAT(port address Translation，端口地址转换，也叫端口地址复用)，每台主机都会在路由器上使用一个端口来标识自己，这个对应关系记录在NAT路由器中的NAT转换表中。当内部主机要和外网通信时，外网其实是在和NAT路由器进行数据交互，而NAT路由器的作用就是把主机发送的数据通过指定端口发到外网，和将外网发送过来的数据发送到对应端口的主机上去。

大致意思就是，我一个IP地址能养活一个机房！

内网IP同样根据地址需要的多少分成了三类，分别对应IP的A、B、C类

NAT已经得到了广泛的应用，但这并不代表它没缺点，首先在转换IP的时候需要修改IP头部信息，这可能会导致校验和不符等问题，其次，端口号本来是用于进程编址，在NAT中则使用了主机编址，这是不符合原则的，第三，NAT内网的主机不能充当服务器，也就是说它们只能主动的发起连接，这导致P2P应用无法在内网主机上使用，因为P2P协议在主机上是服务器端和客户端并存的，不过这个“NAT穿透”问题已经解决了，有兴趣的可以去搜一下，这里不多做解释。

尽管很多人反对NAT，认为它只是防止地址用尽的权宜之计，真正解决IP地址短缺问题的方法是使用IPv6，但是不可否认，NAT已经成为因特网的一个重要组件，是网络中不可或缺的组成部分，毕竟续了二十年。

IPv6的内容我下一次会讲，看一看这个号称“为世界上每一粒沙子提供一个IP地址”的协议到底是怎么解决地址紧缺问题的（顿时感觉很牛X的样子）。

那么，下期再见！