IP协议介绍

一、IP协议的基本认识

IP在网络分层中属于网络层协议，传输层协议里的TCP协议解决的是可靠性问题，网络层协议里的IP协议能让主机拥有将数据从本地发送到远端主机的能力。但这个能力并不一定是可靠的，也就是说有可能会出现发送失败的情况，所以我们可以结合TCP协议，也就是说，TCP/IP协议能让主机拥有将数据从本地可靠地发送到远端主机的能力。

主机指的是配有IP地址的一台独立计算机，单个主机只要它具有对应的网络层，它就具有路由控制的能力。

路由器是配有IP地址，可以进行路由控制的设备，它主要功能是在网络传输路上对数据包进行转发。

路由器和主机统称为节点。

二、IP的协议头格式

IP的协议头格式与TCP的协议头格式非常像，下面将分别介绍IP协议的协议头格式中各个字段所代表的含义。

4位版本
该字段代表的是IP协议的版本号，一般填的都是IPV4，虽然也有IPV6的IP协议，但是IPV6和IPV4是不兼容的，所以这里的四位版本字段一般填充的都是IPV4，如果是IPV6，那就是另外一套策略了。

4位首部长度
该字段代表的就是整个IP报文的长度，这里和TCP协议中的4位首部长度是一样的，理论上它的取值范围是0000~1111，单位是4个字节，但事实上IP协议的协议报头标准长度是20个字节，所以4位首部长度的实际取值范围应该是0101~1111。

8位服务类型(TOS)
该字段一般很少去使用，这8位中其中3位是优先权字段(已经弃用)，4位是TOS字段，1位是保留字段(必须置为0)。其中4位TOS字段(Type Of Service)，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，在使用时只能选择一个。比如我们将来写一些应用程序，该程序想要尽快地将数据推送到对端，比如ssh/telnet这样的程序，最小延迟比较重要。比如我们将来要写一些文件传输类的程序，比如ftp这种程序，最大吞吐量比较重要。

16位总长度(字节数)
该字段代表IP数据报整体占多少个字节。

8位协议
该字段代表上一层的协议是什么类型。

8位生存时间(TTL，Time To Live)
当数据在网络传输的过程中，由于网络出现BUG或者对端主机不可达等不可控因素的存在，有可能会导致IP报文在网络中长时间游离，而不消失，这种游离的报文到达不了对端主机，属于没有任何意义的报文了，再怎么转发也到达不了对端主机，反而还要占用网络带宽的资源。所以我们必须给IP报文设置生命周期，8位的生存时间就是IP报文的生命周期。比如把该字段设置为X，当IP报文在网络中每经过一个路由器，就将X的值减一，当X的值减到0时，就代表该报文的生命周期到了，直接可以将该报文丢弃。

32位源IP地址和32位目的IP地址
这两个字段顾名思义，分别代表的是源IP地址和目的IP地址。

16位标识、3位标志和13位片偏移
16位标识、3位标志和13位片偏移这三个字段位于IP协议报头中的第二行，这三个字段都与IP报文分片和组装有关。

数据链路层有发送单个数据帧的最大值约束，所以我们不能发送太大的IP报文。但是如果我们的IP报文很大，就需要对IP报文进行分片。这就好比寄快递的时候，有些快递公司可能规定单个包裹最大重要是多少，如果我们要寄的东西超过了这个最大重量，就没办法按单个包裹进行寄送了，只能将其进行拆分，拆分成多个包裹一起寄送。

但是分片也会出现丢包问题，如果一个IP报文被分成多个报文发出，只要其中有一个报文丢包了，在对端的网络层都不会将这个不完整的IP报文交付给传输层，而是认为该IP报文整体丢包了。显而易见的是，分片之后丢包的概率是变得更大了，所以网络层进行分片并不是主流手段，所以一般在发报文时，尽量避免IP报文分片。

下面介绍如何对IP报文进行分片。IP报文的报头中都有一个16位标识字段，这里填的是IP的序号，当对IP进行分片时，分出来的每一份IP报文都要填充原IP报文的标识。

当接收端的网络层拿到IP报文时，要进行IP报文进行组装，首先要识别哪些报文是被分片过的，然后将被分片的报文中序号相同的报文集合在一起。接收端识别报文是否是被分片的，就需要用到IP报文中的3位标志字段。3位标志字段是3个比特位，第一个比特位保留，保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到。第二个比特位如果被设置为1则代表禁止分片，禁止分片时如果报文的长度超过数据链路层一次能接受的最大长度，IP模块就会丢弃该报文。第三位如果被设置为1则代表更多分片，如果该IP报文被分片了，前面的所有分片报文这个第三位都设置为1，只有最后一个分片报文中这个第三位被设置为0，类似于一个结束标记。

接收端将被分片过的报文中序号相同的报文集合起来以后，就需要对报文进行组装了。这里就需要用到IP协议报头中的13位片偏移字段，该字段是分片相对于原始IP报文开始处的偏移量，其实就是表示当前分片在原报文中处在哪个位置。

接收端是如何判断接收到的IP报文哪些是被分片的呢？
首先看该报文的三位标志字段中第三位是否是1，如果是的话则代表该报文是被分片的，如果第三位是0，再看该报文的片偏移字段是否为0，如果片偏移字段不为0，则代表该报文是被分片的，并且是最后一个分片。如果片偏移字段为0，那就代表该报文不是被分片的。

接收端如何确定收集起来的相同序号的分片报文是否是完整的呢？
判断第一片分片报文是否丢了，只需要让所有的相同序号的分片报文按照片偏移量进行排序，如果排好序之后片偏移量最小的报文不是0，那么就代表第一片分片丢了。

判断最后一片报文是否丢了，只需要查看这些报文中是否没有3位标志位中第三位为0的报文，如果是的话，则代表最后一片报文丢了。

判断中间的报文是否丢了，只需要让所有的相同序号的分片报文按照片偏移量进行排序，然后从头开始遍历确认，如果片偏移量加上报文自身长度不等于下一个报文的片偏移量，则代表中间有报文丢了。

IP分片会影响传输层的TCP和UDP吗？
答案是当然会的，因为分片提高了丢包的概率，对TCP的影响可能相对少一点，因为TCP是可靠性传输，就算丢包了可以超时重传等等。但是UDP是不可靠传输的，所以对UDP影响是会比较大的。

三、网段划分

IP地址是由目的网络+目的主机构成的，目的网络即网络号，它保证相互连接的两个网段具有不同的标识。目的主机即主机号，在同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是它们的主机号必须不相同，主机号就是用来在同一网段内标识唯一主机的。IP报文在网络传输的时候，先根据IP地址的目的网络进行路由，找到目标网络。然后再根据目的主机的主机号进行数据转发。

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起，如果子网中新增了一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号必须一致，但是主机号必须不能和子网中的其它主机重复。

全球每一台电脑主机都有自己唯一的IP地址，我们的IP地址都是被划分成不同的网段的。过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有的IP地址分为5类，如下图所示：

这种方法叫作分类划分法，最后IP地址经过划分，这五类就有自己的IP地址范围：

• A类0.0.0.0到127.255.255.255
• B类128.0.0.0到191.255.255.255
• C类192.0.0.0到223.255.255.255
• D类224.0.0.0到239.255.255.255
• E类240.0.0.0到247.255.255.255

随着互联网的高速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来了，大多数组织机构都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，例如一个机构申请了一个B类地址，理论上一个子网可以允许有2^16次方，也就是65536台主机，但该机构只有2万个主机使用，就会导致有4万个主机名额的浪费。

针对这种情况我们又提出了新的划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)：它引入了一个额外的子网掩码，让每一个子网都配上一个子网掩码，用子网掩码来区分网络号和主机号。举个例子，假设我们的IP地址是八位的，该IP地址会配上一个也是八位的子网掩码，我们将IP地址与子网掩码进行按位与，就可以提取出该IP地址对应的网络号。

IP地址的划分可以将世界上所有的主机划分成不同的网段，通过网段的划分就可以快速地查找到该IP地址对应的主机。比如我们拿到一个需要发送的IP报文，看一看目的IP地址是什么，先从该IP地址中判断它是属于哪一个国家的，比如说判断出来是属于中国的IP地址，然后再看该IP地址属于哪个省的，再看属于哪个市的，最后一直向下定位直到找到这一台主机。网段划分就是分配IP地址资源的一种策略。

四、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，代表这个子网(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.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1

五、IP地址的数量限制

IP地址(IPV4)是一个4字节32位的正整数，那么一共只有2^32个IP地址，大概就是43亿左右。而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址，并且由于一些特殊的IP地址的存在，IP地址的数量可用的远远不足43亿。另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址，比如说路由器。所以IP地址的数量是不够使用的。

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，但它只是提高了IP地址的利用率，减少了浪费，并没有增加IP地址的绝对上限，所以IP地址仍然不是很够用，这时候就有三种方式来解决这个问题：

• 动态分配IP地址，只给接入网络的设备分配IP地址，不上网的设备就不给它分配IP地址，最典型的就是我们连接WIFI，只要我们一连接就会分配给我们一个IP地址，不连接的话就不会分配。但这种方法推广到公网上就不是特别适用了，因为公网上一般都是路由器或者服务器，这些都是要一直提供网络服务的。
• 使用IPV6的技术，IPV6并不是IPV4的简单升级版，这是两个互相相干的协议，彼此并不兼容。IPV6用16个字节128个比特位来表示一个IP地址，但是目前IPV6还没有完全普及。
• NAT技术

六、私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内通信，而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地址都是可以的，但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址：

• 10.*，前8位是网络号，共16777216个地址
• 172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1048576个地址
• 192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址

包含在这个范围中的，都称为私有IP，其余的则称为全局IP，也叫作公网IP。

我们家里拉过网线的话应该都知道，拉网线是需要找三大运营商帮我们拉的，运营商会给我们配置好一个局域网并给我们一个路由器，每个人家里应该都有这个路由器，这个路由器就是你们家里局域网的一号主机。未来我们想通过网络访问公网服务器的时候，我们家里的路由器是不能直接将数据转发到公网的，而是要先将我们的数据转发到运营商的路由器上，运营商的路由器再帮我们把数据转发到公网上。我们不能绕过运营商，这也是为什么我们上网要给运营商交费，因为是运营商为我们搭建好的上网渠道。

• 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(也叫子网IP)。
• 路由器LAN口连接主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
• 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)，子网内的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复了。
• 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。

如果我们此时通过运营商给家里连上网络了，我们想在网络上浏览别人服务器的内容，比如想上网看个抖音，这个时候我们的请求会从主机发送到我们家里的家用路由器，源IP地址就是我们主机在局域网内的IP地址，目的IP地址就是我们要访问的服务器在公网上的IP地址。

当我们的数据转发到家用路由器之后，家用路由器需要将我们的数据进一步转发给运营商路由器，但此时我们处在的就是运营商路由器下的局域网了，如果还用我们主机在家用局域网内的IP地址的话，可能就会与其它家用局域网内的IP地址重复了，所以家用路由器会帮我们将源IP地址替换，替换成WAN口IP地址。

数据转发到了运营商的路由器，也要同样地进行这种源IP地址的替换，同样是替换成运营商路由器的WAN口IP地址，最终数据包就这样被转发到了公网中的服务器上。

这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术，这种方法可以隐性地增加IP地址的数量，因为局域网之间IP地址是可以重复的。