IP协议详解

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前言：

IP协议

提出问题

解决方案

地址管理

子网掩码

路由选择

小结：

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前言：

    IP协议作为网络层知名协议。当数据经过传输层使用TCP或者UDP对数据进行封装，然后当数据到达网络层，基于TCP或UDP数据包继续进行封装。逐级向下封装直到物理层，通过网卡把数据发送出去。

IP协议

解释：

1）4位版本号：此时的取值只有两个（4，6）IPV4 ，IPV6。

2）4位首部长度：描述了IP报头有多长，单位4字节。报头中的选项部分是变长，可有可无的。

3）8位服务类型

    说是8位其实只有4位有效。这4位中只有一位可以是1其他都是0，4位就表示IP协议的4种工作模式。（最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本）

    最小延时：数据发送的最快（耗时最短）。

    最大吞吐量：单位时间内可发送的数据最多。

    最高可靠性：丢包概率最小。

    最小成本：数据发送需要的成本最小。

4）16位总长度

    描述了IP数据报的长度（头 + 载荷）。这个长度 - IP报头长度 = 完整TCP/UDP数据报长度。16位最大只有64k，那么IP最大只能发送64k的数据吗？

    如果IP数据报超过了64k，就会在网络层针对数据进行拆分。把一个数据拆成多个小于64k的数据报，再分别发送。接收方在网络层针对载荷进行拼接。

5）16位标识：同一个数据拆成多个包，标识都是一样的。（5，6，7都是辅助拆包/组包提供的）

6）3位标志：拆包的结束标志。

7）13位片偏移：标识了多个包的先后顺序。

8）8位生存时间：一个数据在网络上能够传输的最大时间（单位：次数）。一个数据构造出来会有一个TTL初值，每经过一个路由器转发 TTL - 1。如果TTL为0，则直接丢弃。

9）8位协议：描述了载荷部分属于哪一个协议（TCP/UDP）。

10）16位首部校验和：此处只需要对首部进行校验，载荷已经在传输层校验过了。如果校验失败直接丢弃，IP不负责重传。

11）32位源IP地址，32位目的IP地址：一次通信中的五元组之二。这里的IP地址是32位的整数，但我们平时看到的是一串数字。使用 “点分十进制” 的方式转换（每个字节为一组，用十进制表示，共4个字节）。

提出问题：

    32位只能表示32亿9千万个数字。对于全球可以上网的设备可以说是非常小的，就会造成IP地址不够用。

解决方案

1）动态分配IP地址

    动态分配IP地址（可以省下一批ip）。电脑联网就动态的分配ip地址，那么同一时间关机或者没联网的设备就不需要ip地址了。

2）NAT网络地址转换

    NAT网络地址转换，本质是使用一个IP代表一批设备，使用端口号区分。

在NAT背景下将IP地址分为两类：

    1.内网IP(私有IP)，10.*；172.16.* -- 172.31.*；192.168.*

    2.外网IP（公网IP），剩下的都是公网IP。

注意：

    NAT要求公网IP必须是唯一的，内网IP可以在不同局域网重复出现。

    如果某个内网设备想要访问公网设备，就需要通过NAT（路由器）将内网IP转换为公网IP，完成访问。公网设备无法直接访问内网设备。不同局域网的内网设备无法直接访问。

注意：

    服务器接收的数据，所看到的源IP都是运营商路由器对内网设备的IP的转换。

    服务器响应数据，会先发给运营商路由器，然后根据设备的不同端口号来区分，要发给哪个设备。

    因此服务器只是拿到路由器的IP，不能拿到设备的内网IP。如果我的设备不主动和服务联系，那么服务器就不清楚我的端口，就无法主动找到我的设备。

3）IPV6

    IPV6使用了16个字节表示IP地址（这个数字让全世界每一粒沙子都有IP也完全够用），从根本上解决了IP地址不够用的问题。

地址管理

    网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识。（通俗说就是标识两个不同的局域网）

    主机号：标识主机，同一网段内所有主机都有相同的网段号，但必须有不同的主机号。

注意：

    内网IP地址由网络号和主机号组成。网络号用来区分不同的局域网（相邻的局域网网络号必须不同），主机号用来区分同一个局域网下不同的主机。

    路由器都是有两个IP，分别属于不同的网段，用来连接两个局域网。

子网掩码

    用来区分IP地址哪部分是网络号，哪部分是主机号。

    例如：255.255.255.0。二进制为1的部分描述了多少位是网络号，0的部分就是主机号。

路由选择

    路由选择就是规划网络传输的路径。

核心机制：

    问路的方式。每个路由器都会保存周围的设备（路由表），每经过一个路由器就会询问接下来怎么走，路由器就会查找路由表。如果有匹配的就按照路由器提供的走。如果没有匹配的，路由器会默认提供一个路径，大体方向都是正确的。

小结：

    理解网络传输的过程，还有一些历史背景，会使我们对于网络有更深层次的认识。