【计算机网络】网络层——详解IP协议

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收录于专栏【网络编程】
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🐱一、IP协议介绍

🐟IP协议报文结构

• 四位版本号：用来表示IP协议的版本，现有的IP协议只有两个版本，一个是IPv4，另一个是IPv6。
• 四位首部长度：告诉接收方在IP数据报中如何找到数据部分的起始点。通过首部长度字段，接收方可以确定数据部分在IP数据报中的位置，从而正确解析和处理IP数据报。IP报头是可变长的，同时也是IP报头是有选项的
• 八位服务类型（TOS）：八位服务类型其实只有4位是有效。支持模式切换（或称为状态切换的）。下面是使用的4种齐爱。

• 最小延时：传输一个数据报的时间要尽可能短
• 最大吞吐量：一定时间内传输的数据要多。
• 最高可靠性：在传输过程中最不容易发生丢包。
• 最低成本：在传输过程中消耗的硬件资源最低。
  四种形态种只能切换到一种前台

• 16位总长度

注意这里的关系：这里的16位总长度 = IP报头 + 载荷的长度、总长度 - IP报头长度 = 载荷长度（此载荷长度就是TCP报文总长度）、TCP报文总长度 - TCP报头长度 = TCP载荷长度。

IP协议支持拆包组包的机制，16位总长度（即64kb）针对的是一个数据报，如果是携带的是较长的数据的话，IP协议就会自动地把一个数据包拆分成多个数据报，接收方在进行分用的时候也会把多个数据报合并成一个数据报。

IP协议报文中的16位标识、3位标志位、13位片偏移共同描述了整个IP数据报的拆包组包的过程。
当需要传输的数据超过了网络的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）时，就会触发拆包操作。MTU是指在网络中一次可传输的最大数据包大小。如果需要传输的数据超过了MTU，就需要将数据拆分成多个较小的IP数据报进行传输。
每个IP数据报都有自己的IP报头，包含了源IP地址、目标IP地址、协议类型等信息。而数据报的负载部分（即携带的实际数据）可能属于其他协议，例如TCP或UDP。
对于TCP协议，它会将需要传输的数据进行分段（Segmentation）的操作。TCP会将较长的数据分割成多个较小的TCP数据段（TCP segment），每个TCP数据段都包含TCP报头和对应的数据部分。
这样，当一个较长的TCP数据报需要在IP网络中传输时，它会被分成多个较小的IP数据报，每个IP数据报携带一个TCP数据段。这些小的IP数据报独立传输，通过IP协议的机制在网络中按顺序重新组合，最终将数据传输到目标设备的TCP协议中进行再次组装，以还原原始的较长TCP数据报。
需要注意的是，拆包和重组操作是由网络设备（如路由器）负责的，IP协议只负责将数据报进行传输，并不负责分段和重组的具体操作。

• 16位标识：拆除的这多个包的16位标识是相同的。
• 13位片偏移：拆除的这多个包的13位片偏移是不同的，前一个包的片偏移更小，后一个反之更大，通过片偏移就可以区分包的先后顺序。
• 3位标志位：其中有一位标志位是不变的；有一位表示是否允许拆包，其实这里已经拆包了，所以此位标志位都是1；最后一个标志位表示结束标记，表示当前的包是否是最后一个，标志位是零表示是此包是最后一个包。
• 8位生存时间（TTL）：单位是次，初始情况下TTL有一个初始数值（32/64/128），数据没经过一个路由器转发TTL就会-1，正常来说TTL足以支持数据报到达网路的任意一个位置，但是如果TTL真的变成0了，此时基本上就可以认为目标IP不可达了。
• 8位协议：描述了上层，即传输层，使用了哪种协议
• 16位首部校验和：检验数据是否正确的，这里只需要校验数据报首部即可，因为载荷部分要么是UDP要么是TCP，而TCP、UDP已经校验过自己本身了。
• 32位源ip地址：32位源IP地址其实就是一个32位的整数（即4字节）。使用点分十进制的方式来进行表示（使用三个.把32位分为4个部分，每个部分都是8位（即1字节），每个字节的范围都是0-255，不带符号）。

这里有一个问题：既然32位源地址ip的数据量非常有限的，大体是42亿九千万，但是实际上全世界能够上网的设备不仅仅只有这些数字。那么IP地址不够用了该如何应对呢？
方式一：DHCP是动态主机配置协议的简称，是一种自动分配IP地址的网络协议。设备如果需要上网的话就需要分配ip，不需要上网就不需要分配ip。使用该方式只能够缓解，但是不能够根治。
方式二：NAT机制（网络地址转换）
另外，IP地址分为两大类：一类是内网ip（对于不同的局域网内的设备ip地址可以重复，对于相同的局域网ip地址不可以重复）；另一类是外网ip（外网ip不可以重复）。内网ip一般有三种表示形式：10.*、172.16。*-172.31.*、192.168.*。

🐟NAT机制

• 情况一：如果是同一个局域网内部的设备之间进行通信，这种情况是没有问题的（因为同一个局域网内的内网ip是唯一的）。

• 情况二：A局域网中的设备想和B局域网中的设备进行通信，由于这是两个不同的局域网中的不同设备，所以这两个设备的ip很有可能是相同的，这种情况是不允许的，会被直接禁止掉。两个局域网内部的设备是没法进行通信的。

• 虽然两个局域网内部的设备没法直接进行通信，但是可以间接进行通信，这个时候需要局域网内部的设备访问带有外网ip的设备。举个例子：我们平常使用的手机、平板都是在局域网内部去进行使用，它们都有一个自己的内网ip；还有一类设备就是服务器，服务器的话可以有外网ip，这样的话就涉及到NAT的工作过程了。

我们通过画图来进行举例：


上述的操作我们可以简单理解为借花献佛，意义何在呢？NAT机制下，一个外网ip代表的不一定是一个设备，也有可能是很多个设备。
接下QQ服务器要返回响应，返回的响应依旧是一个IP数据报：

接下来QQ服务器开始返回响应（返回的响应依旧是应给IP数据报）：

此时，电信路由器和电脑之间就属于是局域网内部之间的通信了。

好了，上述的NAT过程是一个简化版本的，实际上，数据每经过一个路由器转发都可能会触发NAT机制（这和路由器的配置有关，有的模式下就会触发，有的模式就不会触发），比如说数据经过学校路由器就会触发NAT机制，经过光猫路由器就会触发NAT机制。

NAT机制的缺点：效率低、使用起来非常繁琐，还有一点就是不方便直接访问局域网内的设备。但是尽管这个NAT机制有如上的缺点，但是整个互联网世界其实就是利用NAT机制构建出来的。NAT机制可以提高IP地址的利用率，但是没有从根本上解决IP地址数量上的问题（即ip地址不够用）。NAT机制最大的优点就是NAT机制是一个纯软件实现的一个方案，

🐱二、IPv6

IPv6从根本上可以解决IP地址不够的问题。

IPv4是4个字节，即32位来表示ip地址。
IPv6是16个字节，即128位来表示ip地址。
所以，IPv6从根本上解决了ip地址不够使用的问题。

我们要知道，IPv6和IPv4是不兼容的，要想升级IPv6的话就需要更换路由器设备，然而升级IPv6之后其实并不会提高网速，也不会提高流畅性。
相比于IPv6，NAT机制只需要路由器开发商开发出新版本的软件（路由器固件），升级软件之后即可直接支持（同时成本也低）。所以ipv4目前发展的比ipv6要好（至少从目前来看的话，ipv4的普及程度要远远高于ipv6），而ipv6大规模普及的话还需要一定的时间。

🐱三、IP地址组成

ip地址分为两个部分：网络号和主机号。

• 网络号：标识网络，即保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
• 主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

作为开发者的话，在日常开发中我们不需要知道IP地址是怎么来的，这不是我们该操心的地方，ip地址可以是自动分配的（比如家里的网络环境比较简单），也可以是手动进行分配的（比如说企业的设备，网络环境比较复杂，这个时候就需要网管来进行配置）。

🐱四、特殊的ip地址

• 网络地址：将ip地址中的主机地址全部设置为0，在通常的网络设置中，将主机地址全部设置为0被称为网络地址。而网络地址用于表示一个网络中的所有设备。例如，如果网络的IP地址范围是192.168.1.0/24，则192.168.1.0被用作网络地址，代表的是整个网络。通常情况下，网络地址不能作为设备的IP地址，因为该地址是用于标识整个网络的。我们不能给具体的设备分配这种ip（ip地址中的主机地址全部设置为0的ip）
• 广播地址：将ip地址中的主机地址全部设置为1，用于给同一个链路中的所有主机发送数据包。

比如说：192.168.0.255，如果向这个ip上发送数据包，那么这个数据就会被转发给局域网中的所有设备。

在传输层协议中，TCP协议通常不支持广播或多播传输，因为TCP是一种面向连接的协议（TCP无法针对广播地址进行三次握手建立连接的操作），它在建立连接时需要明确的目的地址。而广播或多播是以一组地址为目的地址的通信方式，并不适用于TCP的连接模式。

相反，UDP协议可以用于广播或多播传输，因为UDP是一种无连接的协议，它不需要具体的目的地址。UDP协议的传输方式与广播或多播通信方式是相容的，可以一次性向一组目标地址发送数据。

• 环回ip：被用于在本地主机中进行通信。环回IP地址被分配为127.0.0.1，也被称为本地回环地址。

🐱五、子网掩码

一个ip地址，我们要想分清楚哪一部分是网络号、哪一部分是主机号，这是通过子网掩码（32位二进制位，通常用10进制来进行表示）来进行识别的。子网掩码和ip地址都是4字节，即32位比特位的整数。规定子网掩码左侧必须是连续的1，右侧必须是连续的0。

举个例子：一个IP地址为192.168.1.100，子网掩码为255.255.255.0的情况。
子网掩码255.255.255.0对应的32位二进制：11111111.11111111.11111111.00000000，即代表着前24位是网络位，后8位是主机位。
ip地址192.168.1.100对应的32位二进制：11000000.10101000.00000001.01100100
可以确定192.168.1.100的网络位为11000000.10101000.00000001（192.168.1），而主机位为01100100（100）。

🐱六、路由转发

IP协议还有路由转发的功能。在互联网中，数据包通过IP协议进行数据的传输，同时根据目标的IP地址来进行路由的选择。

这里只简单介绍一下什么是路由转发：

每个路由器内部都有一个数据结构即路由表，数据到达路由器的时候就需要查询路由表（目的是询问该数据要到哪里去，从而选择一个方向进行数据的传输）。如果从这个路由表中查询到了，那么就按照这个方向继续传输数据；如果没有查到的话就会按照路由器默认的方向进行数据的转发。

至于说路由器中的路由表是如何生成的，以及路由表是如何来查询数据究竟要往哪个方向走，这里就不做过多的介绍了。

本文到这里就结束了，希望友友们可以支持一下一键三连哈。嗯，就到这里吧，再见啦！！！