21_路由（一），IP_
网络协议那些事儿
内容简介
- 前言
经过前几课颇多数学运算的 “熬炼”，相信你现在已经对划分 IP 地址范围了若指掌了吧。
如果还没有，快、快去给我练习去~
从这课开始，我们将用几课的篇幅来讲解本专栏中的一个很有趣的知识点，也是重头戏之一，那就是：路由。
我们将了解信息是如何从一个网络传输到另一个网络的。
特别地，我们将学习到：
-
在 OSI 第 3 层，数据是如何组织的；
-
一个网络和另一个网络通信需要用到什么硬件；
-
一个网络中的机器如何与另一个网络中的机器进行通信。
相信经过这几课的学习之后，你将深谙网络之间的通信，你会发现：“网间通信，不过尔尔；路由在手，天下我有。”
那么，就让我们一起探索路由的奇幻世界吧！
- IP 协议
学完 OSI 第 2 层之后，我们知道了如何在本地网络上进行通信，还知道了网络是什么。我们已经迫不及待地要去了解如何在网络之间进行通信了。
首先，我们再来看看 OSI 第 3 层的协议：IP 协议。
伟大的 IP 协议
我们以前说过，一个协议就好比一门语言，例如英语和中文。有了协议，机器间才能互相 “对话”，并且“理解” 对方说的是什么。
OSI 第 3 层（网络层）的最主要协议就是 IP 协议。
学习 OSI 第 2 层时，我们讲了该层传输的以太网帧的格式，以太网帧里面的信息是有序的。
同样地，对于 OSI 第 3 层，我们也得确定传输的消息单元中需要包含哪些信息，以及这些信息排列的顺序。
首先，我们应该可以断言需要用到发送方和接收方的 IP 地址。但是，除了 IP 地址，还需要不少其它信息。
我们先关注最紧要的信息，然后逐步添加其它信息到 IP 协议传输的消息单元的头部。
我们首先需要：
到目前为止，没有什么稀奇的，我们需要以上的信息来标识通信的参与者。
但是，之前的课程中，我们说过 IP 地址应该和子网掩码相关联。那么在 IP 协议传输的消息单元的头部中还要添加子网掩码吗？
首先要回答的问题是：为了向一台机器发送消息，是否需要知道它的子网掩码？
为了回答这个问题，让我们想象自己是一台希望向其它机器发送消息的机器吧。
假设，我是一台地址为 192.168.0.1/24 的机器 A（也可以称为 主机 A），我们要向地址为 192.168.1.1/24 的机器 B（也可以称为 主机 B）发送消息。
作为机器 A，我需要知道机器 B 是否在我所属的网络中。如果它和我在同一个网络中，我用 OSI 第 2 层来和它通信就够了。如果它在另一个网络中，我将不得不借助 OSI 第 3 层。
要知道机器 B 是否在我所属的网络中，这是很容易的。我只需确定我所属的网络的地址范围，然后看看机器 B 的 IP 地址是否属于该范围。
在我们这个例子中，我的地址范围是从 192.168.0.0 到 192.168.0.255。因此，机器 B 的地址（192.168.1.1）不属于我所在的网络。
因此，我推断出机器 B 不在我所属的网络中，因此我们将不得不使用 OSI 第 3 层来与其进行通信。
我们顺便注意到，其实并不需要机器 B 的子网掩码，就可以知道它是否属于我们的网络。
因此，没有必要在 IP 协议传输的消息单元的头部添加子网掩码，有 IP 地址就足够了。
因此，暂时我们只需要发送方和接收方的 IP 地址。我们将它们称为源 IP 地址（Source IP Address）和目标 IP 地址（Destination IP Address）是。source 是 “源，源头” 的意思，destination 是 “目的地，目标” 的意思，address 是 “地址” 的意思。
我们知道，OSI 第 2 层传输的消息单元被称为以太网帧，或简称帧（frame），它有固定的格式。同样地，对于 OSI 第 3 层的 IP 协议传输的消息单元，我们也需要确定它的格式。
对于 IP 协议，此消息单元被称为数据报（datagram）或数据包（packet）。
数据报
和第 2 层的以太网帧一样，IP 数据报也是排列好的 0 和 1 的二进制序列。
下面是 IP 数据报的形式：
我们看到，IP 数据报的格式有点类似以太网帧的格式，但是所包含的信息是不同的，并且信息的排列顺序不同。
上图所示的 IP 数据报的格式应该会让你感到吃惊，不是吗？
可以看到，目标 IP 地址位于源 IP 地址后面，也就是在 IP 数据报的头部的结尾处。
OSI 第 2 层的以太网帧的格式可不是这样的，帧里面目标 MAC 地址是位于帧头的最开始。这样，接收帧的机器就可以立即判断帧是不是发送给自己的。
那么，为什么 IP 数据报的格式会有所不同呢？发明 IP 协议的互联网先驱们不会是搞错了吧？
当然，他们是不会搞错的。要弄清楚这一点，我们将不得不先了解另一些概念。
封装
首先，我们必须回答一个问题。
网络上传输的是什么呢？
以太网帧？数据报？还是两者都有？为了回答这个问题，我们将不得不回顾 OSI 七层模型，如下图：
下图则更具体地演示了信息的发送（接收也是类似。在发送方信息传输的方向是从 OSI 的最上层到最下层；在接收方则正好相反）：
如你所见，一条消息是从 OSI 模型的第 7 层发送的，它跨越所有层，直到抵达第 1 层，以通过网络发送。
在穿越这些层的时候，我们的原始消息会发生什么变化呢？每一层的消息单元的头部是什么格式呢？
实际上，每穿越一层，一个对应的头部就会被添加到消息单元中。因此，我们将累积不同层的对应头部，如下图所示：
上图中，没有第 6 层、第 5 层的对应信息，因为我们实际使用的是 TCP/IP 协议，它只用到 OSI 这个理论模型的第 7、4、3、2、1 层。
当穿过第 4 层时，将添加第 4 层的头部到消息单元中；穿过第 3 层时，将添加第 3 层的头部到消息单元中。以此类推。
这种机制被称为封装，英语是 encapsulation，因为我们将一条消息封装在另一条消息中，层层嵌套。
我们清楚地看到，经过层层穿越和消息封装，最终在网络上流动的是第 2 层的帧，其中包含第 3 层的数据报（第 3 层的数据报本身又包含了第 4 层的元素）。
因此，当我们在以前的课程中展示以太网帧的格式时，其实并没有对你和盘托出。我们来回顾一下以前展示的以太网帧的格式：
我们没有告诉你，在传输的消息单元中，实际上存在第 3 层的头部和第 4 层的头部，最后才是要发送的消息本身。所以，实际的以太网帧是这样的：
我们之前向你 “隐瞒” 了真相也是有所考量的，因为第 2 层无法读懂第 3 层或第 4 层的相关信息，它也无法理解要发送的数据。对于第 2 层来说，所有这些都是它无法理解的 0 和 1 的序列，它并不需要理会它们。
现在，我们知道了消息单元中会包含较高层的头部。
我们下一课将继续学习路由的相关内容，还会用 Wireshark 软件来做一些实践。
- 总结
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OSI 第 3 层（网络层）的最主要协议是 IP 协议。对于 IP 协议，传输的消息单元被称为数据报（datagram）或数据包（packet）；
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IP 数据报的头部，包含发送方的 IP 地址和接收方的 IP 地址，而且发送方的 IP 地址位于接收方的 IP 地址之前；
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消息在发送方传输时，需要自顶向下穿越 OSI 的各层。每穿越一层，一个对应的头部就会被添加到消息单元中，这种机制被称为封装。
一起加油吧~
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