【网络】网络层协议IP

目录

IP协议报头

报头分离和向上交付

四位版本

8位服务类型

16位总长度

八位生存时间

16位标识一行

网段划分

DHCP

私有IP范围

公网划分之CIDR

特殊的IP地址

缓解IP地址不够用的方法

NAT技术

路由

IP是用来主机定位和路由选择的，它提供了一种能力，就是将数据从A点跨网络送到B点。

并且这种能力并不是一定能完成，而是有较大概率能完成。

我们在网络世界中追求的就是将数据可靠送达，可靠用的策略是TCP，而送达用的就是IP的能力

就是因为TCP和IP只是负责把数据送到，跟什么业务无关，所以可以做进操作系统

我们平时也见过很多IP，IP都是由目标子网+目标主机构成的

我们的网络世界可以看成一片区域为一个子网（局域网），比如一个学校，一个村庄或一个小区等，每个子网中都有一个工业级路由器，这些工业级路由器之间可以互相转发报文

所以IP协议是如何进行主机定位和报文转发的呢？

1.根据目的IP，进行局域网之间的转发（工业级路由器之间）

2.局域网内，进行内网转发

IP协议报头

这个报头总共也是20个字节，和TCP一样

报头分离和向上交付

IP报头分离靠的是4为首部长度，它存的是报头和选项的总长度，基本单位仍然是4字节，最大可表示60个字节

IP报头向上交付靠的是8位协议，这里面存的就是上层协议的类型（udp/tcp）

四位版本

四位版本中存0100就表示IPV4（用32位表示源，目的IP）

存0110就表示IPV6（用128位表示源，目的IP）

并且这两种版本是独立的，不相互兼容

因为32位最多能表示的IP地址个数就是2^32次方，大概是40多亿，在当今社会肯定是不够用的，所以为了发展，能有更多的IP地址，就有了IPV6。但是因为目前大部分设备使用的都是IPV4，IPV6不好推广，所以一般IPV6在内网中容易被替换使用

所以前面说的IPV4地址不够用，但是现在也没说用到竭尽了，用的是一种NAT技术

8位服务类型

8位服务类型是你可以选择数据在网络中走的时候选用什么样的策略，比如延时小，成本低等

8位服务类型（Type Of Service），三位优先权字段（已经弃用），四位TOS字段，和一位保留字段（必须值为零）。

四位TOS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，只能选择一个

对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要

16位总长度

16位总长度指报头+有效载荷的长度

八位生存时间

八位生存时间，我们可以把它看作一个计数器，每经过一个路由器计数就减一，计数器到0了就丢弃，就是为了防止报文在几个路由器之间循环转发的问题（因为上了规模的软件都是由BUG的，路由器中肯定是有软件的），这样不但不会把消息发到，还会浪费电力、网络资源

我们之前在写套接字的时候要把IP从点分十进制字符串转成网络序列的4字节IP就是因为协议中就是这样规定的（32位源、目的IP地址）

16位标识一行

我们前面说过网络中能够传输的最大数据包大小是mtu，也就是说数据链路层最多传1500个字节，那么如果IP的上层TCP传的字节数大于mtu，此时IP层就要进行分片和组装

其实让网络层进行分片是属于少量情况，因为分片缺点还是很大的，就是会增加TCP层丢包概率

因为同样一份数据，如果TCP一次交给IP，那么IP比如要分十片，这十片中只要丢一片对方的IP层就无法向上交付，就会触发TCP的超时重传十片；如果TCP分十次交给IP，IP丢一个TCP只需要超时重传一个即可

所以站在TCP角度分片传输是增加丢包概率的

那么下面就来解释一下16位标识这一行中三个部分的各自作用，IP就是通过这三个部分进行分片和组装的

16位标识：TCP传下的数据分成几片后唯一的标识，用来确定来自TCP的同样一个报文

3位标志字段：第一位保留（目前还没用到），第二位用于指示数据包是否可以被分片。当设置为1时，表示禁止分片。这意味着如果数据包的大小超过了沿途网络设备（如路由器）的最大传输单元（MTU），则整个数据包将被丢弃，而不是被分片传输。第三位设为1表示后面还有更多分片，为0表示后面没有分片了，类似于一个结束标记

13为分片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。因为这个只有13位，而报文总长度用16位表示，所以实际偏移的字节数是这个值*8得到的。因此除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍。

网段划分

IP地址可以分为两部分，网络号和主机号

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的表示

主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但必须有不同的主机号

下面说的私有IP地址指的是内网、子网、局域网

公网IP地址就是公网，只有入了公网才能入互联网

DHCP

我们连上路由器，那么路由器就会给我们一个IP地址，这种技术就叫做

DHCP：能够自动的给子网内新增的主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便

一般的路由器都带有DHCP功能，因此一个路由器也可以看作一个DHCP服务器

私有IP范围

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上可以用任意的IP地址，但是RFC 1918规定了组建局域网的私有IP地址

10.*，前八位是网络号，共2^24，16,777,216个地址

172.16.*到172.31.*，前12位是网络号，共16*2^16，1,048,576个地址

192.168.*，前16位是网络号，共2^16，65,536个地址

包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP（或公网IP）

公网划分之CIDR

把所有的IP看作一块大蛋糕，上面的私有IP已经占据了一部分，剩下的都叫做公网IP，那么对于这一大堆公网IP应如何划分呢？下面的划分方案叫做CIDR：

引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号

子网掩码也是一个32位的正整数，通常前面一串1，后面一串0

将IP地址和子网掩码进行按位与操作，得到的结果就是网络号

下面我们来举一个简单的例子

比如IP地址是130.252.20.64，子网掩码是255.255.255.0（比特位是前面24个1，后面8个0）

那么它们进行按位与操作就得到了网络号，即为130.252.20.0

这个网络号的子网地址范围是130.252.20.0~130.252.20.255

特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全部设为0，就成了网络号，代表这个局域网（比如上面的130.252.20.0）

将IP地址中的主机地址全部设为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包（比如上面的130.252.20.255，所以主机可用的IP范围是130.252.20.1~130.252.20.254）

127.*的IP地址用于本地环回测试，通常是127.0.0.1

就是说这个地址到了IP层会进行判断，发现是本地环回又会交给上层

缓解IP地址不够用的方法

上面说的CIDR只是提高了IP地址的利用率，减少了浪费，但是IP地址的绝对上线并没有增加，仍然不是很够用，这时候有三种方法来解决：

动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址，因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP不一定是相同的

NAT技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术是一种将私有网络地址（如局域网内部地址）转换成公共网络地址（如互联网地址）的技术。这种技术通常应用于连接私有网络与公共网络之间的路由器上，实现多台计算机共用一个公网IP地址上网。

也就是说其实公网IP是有限的，不可能每台计算机一个，但是至少可以保证一个城市一个公网IP，运营商比如在一个城市内组建局域网，当然局域网内还有一个个局域网，那么从这个城市中发出的所有信息在经过城市路由器后就会转化成城市的公网IP（公网中不会出现私有IP），这样消息就可以转发到各处了

上面的局域网的组建工作都是运营商做的，所以我们将来的所有的报文都必须走运营商，如果我们想访问外网IP，运营商就会给我们拦截

路由器要横跨两个网络，一个是LAN口IP（子网IP，局域网IP），一个是WAN口IP

所以私有IP在自己所在的局域网中不会重复，但是如果是不同的局域网，IP可能会重复，由于这种重复性，一个局域网中的主机和另一个局域网中的主机不通过公网是不能进行通信的；但是一个局域网中的不同主机是可以通信的

IPV6，它用128位来表示一个IP地址，IP地址的绝对数量增加，但是还没有普及

路由

路由指的就是网络中的消息是如何转发的，主机和路由器都有路由表，下面是一个主机的路由表

其中Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Getway是下一跳地址，Iface是发送接口，Flags中U标志位表示此条目有效（可以禁用某些条目），G标志位表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经过路由器转发