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【Linux网络编程】网络层说明

news 来源：原创 2025/5/15 12:14:33

前言：

1，网络层介绍

2，IP协议

3，IP协议的格式

4，网段划分

5，特殊的IP地址

6，私有IP地址和公网IP地址

前言：

网络层对于程序员来说不太重要，这方面知识大致了解即可，本文章只说明必要的知识。

1，网络层介绍

网络层主要负责数据包在网络中的传输与路由选择，即解决跨网络的通信传输问题。

这里要区分网络层与传输层，传输层主要负责端到端的可靠数据传输，它并屏蔽了下层网络的核心的细节，网络层主要负责数据在网络中所面临的问题。由此可知，数据的可靠发送需要传输层协议和网络层协议协同完成。

2，IP协议

IP协议是网络层的核心协议，负责数据包在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。具体来说，它负责数据包的路由和寻址，使得数据包能够在不同的网络之间传输。如下图：

数据包在互联网的传输过程中，从一台网络设备上跳转到另一台网络设备上的过程称为路由，而每台网络设备内部中其实都维护着一个路由表，路由表通过计算得到一个IP地址来决定数据包 “下一跳” 所到达的网络设备。Linux系统中，我们可以使用route命令查看路由表。

这部分内容对应程序员来说不太重要，了解即可。

3，IP协议的格式

4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。

4位首部长度：IP头部的长度是多少个32bit，即4字节。这里与TCP报文的首部长度一样。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是15 * 4 = 60字节。

8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用，这里不做说明）、4位TOS字段、1位保留字段（必须置为0）。4位TOS用来在路由转发中指示数据包的服务质量要求，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。这个字段不为重点，了解即可。

16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。

16位标识：唯一的标识主机发送的报文。由于数据链路层会限制报文的大小，所以数据包后面可能会被分片，要是它被分片了，那么每一个分片里面的这个标识都是相同的。

3位标志字段：用于声明IP报文的相关属性。第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果数据报的大小超过了网络的最大传输单元（MTU），则IP模块会丢弃该数据报，而不是尝试对其进行分片。第三位表示报文有 “更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0，类似于一个结束标记。

13位分片偏移：表示分片相对于原始IP报文开始处的偏移量。它用于表示当前分片在原报文中处在哪个位置。其中，实际偏移的字节数是这个值 * 8。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍，否则报文就不连续了。

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。数据在转发中，每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止数据在网络转发过程中出现路由循环。

8位协议：表示上层协议的类型，它使得接收端能够正确地识别和处理上层传输的数据，即接收端用哪种协议栈处理该数据。

16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。这里不做详细说明。

32位源IP地址和32位目标IP地址：表示发送端的主机地址和接收端的主机地址。

选项字段(不定长, 最多40字节)：这个字段这里不做说明，知道有这个字段就行。

最后说明下，TCP和UDP都是传输层协议，它们都需要依赖IP协议来实现数据的路由选择和传输。它建立在IP协议之上，提供了端到端的通信服务。因此，我们平常都会看到 “TCP/IP协议” 和 “UDP/IP协议”。

4，网段划分

IP地址分为两个部分：网络号和主机号。其中，网络号标识一段网络，主机号标识一台主机。

网络号：它是IP地址中用于识别设备所属网络的部分，具体来说它定义的一个网络范围，在这个网络中又包含了具有相同网络号的IP地址，这些IP地址共享相同的网络前缀，使得它们能够相互通信并形成一个逻辑网络。网络号保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
主机号：标识网络中的一台机器。同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是它们的主机号不同。

互联网是一个大家族，不同网段之间是依赖于多种网络技术和网络设备相互连接（比如：路由器，它可以用来组件局域网，横跨两个网段），使不同网络之间能够相互通信，而我们平常所说的子网其实就是一个网段，即把网络号相同的主机放到一起所形成的网络，如下图。

5，特殊的IP地址

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。

127.0.0.1：环回地址，也称为本地回环地址。这个地址用于测试网络软件以及本地机进程间通信。主机发送到这个地址的数据包不会被发送到任何外部网络，而是被主机自身接收。

6，私有IP地址和公网IP地址

私有IP地址：

私有IP地址是专门为局域网内部设备分配的IP地址，这些地址不能在互联网上直接路由。它们用于建立内部网络，提供了一种方式让组织内部的设备相互通信。

私有IP没有对外部网络进行开放，它在不同的局域网中可以重复使用，但在同一局域网内是唯一的。我们日常所用的网络设备一般都是私有IP，而当私有IP访问互联网时，这里是通过网络地址转换（NAT）技术间接地访问互联网。

私有IP地址的范围是经过专门定义的，具体包括以下三类：

A类：10.0.0.0 到 10.255.255.255。前8位是网络号。
B类：172.16.0.0 到 172.31.255.255。前12位是网络号。
C类：192.168.0.0 到 192.168.255.255。前16位是网络号。

公网IP地址：

公网IP地址用于互联网上的设备之间的直接通信和数据交换。它能够在互联网上唯一标识一台设备。

公网IP在全球范围内都是唯一的，因此它可以直接在互联网中进行通信。生活中的服务器、网站、云服务器等需要被外部访问的设备一般使用的是公网IP。

为什么要将IP地址分为公网IP和私网IP呢？

IP地址用于标识不同的网络设备，而在如今的互联网时代下，IPv4地址出现了严重短缺，私网IP在不同的局域网中可以重复使用，这在一定程度上缓解了IPv4地址的稀缺。

私有IP虽然缓解了IP地址的欠缺，但仍没有完全解决如今IP地址的欠缺情况，因此，目前又开发了IPv6来解决。一般情况下，若不做说明，所谓提到的IP地址都是IPv4。

前言：

1，网络层介绍

2，IP协议

3，IP协议的格式

4，网段划分

5，特殊的IP地址

6，私有IP地址和公网IP地址

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