「网络原理」IP 协议

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🍉报头结构

TCP/IP 协议族是整个网络体系中最核心的协议，类似于 TCP，IP 所包含的内容也很复杂
IP 协议主要完成两方面的工作

1. 地址管理：使用一套地址体系来描述互联网上每个设备所处的位置
2. 路由选择：为一个数据包规划如何从网络中某个地址传输到另一个地址

先来认识一下 IP 协议报头

“16 位总长度” 描述了一个 IP 数据报的长度（包括报头和载荷），虽然 IP 自身有长度限制，但是 IP 也提供了拆包和组包这样的操作，所以载荷很大也没关系，因为在 IP 这一层会自动拆成多个 IP 数据报，每个数据报携带一部分载荷

拆包后该如何组包呢？这就涉及到下面三个属性

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🍉地址管理

设定 IP 地址的目的就是为了区分网络上不同的设备。但是 IP 地址本质是一个 32 位整数，由于网络设备越来越多，IP 地址不够用就成了上世纪 90 年代一个非常严峻的问题
对于这个问题，有三种解决方案

🍌动态分配 IP 地址

因为全世界的设备不是同时上网，所以就只给正在上网的设备分配一个 IP 地址就 ok 了。不过这并没有从根本解决问题

🍌NAT 机制（网络地址映射）

IP 地址分为两类

1. 私网 IP / 局域网 IP
   形如 10.，172.16-172.31.，192.168.* 的地址都是私网 IP
2. 公网 IP / 广域网 IP
   不是局域网的 IP 就是公网 IP

公网上的设备对应的公网 IP 都必须是唯一的；但是私网上 / 局域网上的设备，它们使用私网 IP，只要保证在当前局域网内部的 IP 不重复就 ok 了，不同局域网之间的 IP 是允许重复的
这个设定就会带来一些限制：

• 公网设备可以直接访问其他公网设备
• 同一局域网中的不同设备之间可以相互访问
• 不同局域网中的设备之间不能访问
• 局域网设备如果要访问公网设备，那就需要先对局域网 IP 进行转换
• 公网设备不能主动访问局域网设备

这里第四点需要单独拎出来说一下
为了方便解释，这里就只考虑主机经过一个路由器之后就可以把数据转入公网，最终到达服务器，如下图：

所以发送数据报的流程如下：

上述的替换过程，本质上是让一个公网 IP 能够对应到多个设备，从而节省 IP 地址

路由器在 NAT 的时候会把这次通信的相关信息记录下来，比如源 IP、目的 IP。
如果局域网各个设备访问的服务器互不相同，那么路由器就可以通过服务器 IP 来区分是哪个设备，只需通过查表就可以把目的 IP 还原为之前的局域网 IP
如果访问的是同个服务器，可以通过端口号来区分，如下图，目的 IP 都是 5.6.7.8：

端口号可以用来区分同一主机的不同进程，也可以区分不同主机的不同进程，因为客户端的端口号是系统随机分配的，两台主机之间的端口大概率不同。路由器收到响应之后就可以查询传输层中的目的端口，看这里的端口是 2000 还是 3000，从而确定要把响应转发给哪个客户端
不过也有巧合，比如局域网中两台设备的端口恰好相同，那么此时路由器就会对端口号进行映射：

比如对于第一个客户端：

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🍌IPv6

IPv4 使用 4 个字节表示 IP 地址，取值范围为 0 - 2^32；而 IPv6 使用 16 个字节表示，范围为 0 - 2^128。通过增加 IP 地址的个数，从根本上解决问题。但是 IPv6 的报头结构和 IPv4 不兼容，引入 IPv6 就意味着当前的网络设备（路由器等）就需要更换为支持 IPv6 的设备

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路由选择

路由选择就是路线规划，但是由于网络结构很复杂，每个路由器都无法掌握全局的信息，只了解一部分局部信息，因此路由器规划出来的路线，只是一个局部的最优解（听起来类似贪心）
每个路由器对网络环境（与它相邻的设备情况）有一定的了解，这样它就可以根据数据报中的目的 IP，告诉数据报下一步应该往哪个方向走
其中的原理为：路由器内部有一个数据结构——路由表，它记录目的 IP 的网段和对应的网络接口（就是从路由器哪个口出），但由于路由器只了解局部的情况，所以数据报的目的 IP 在路由表中很可能不存在，此时路由表中的特殊表项（又称下一跳）就发挥了作用，它指向一个默认的网络接口，这个接口通常指向更上层的路由器