计算机网络之---IP协议

 IP 协议作用

在计算机网络的分层模型中，网络层主要负责数据在不同网络之间的传输和路由，确保数据从源节点传递到目标节点。IP协议（Internet Protocol，互联网协议）是网络层最重要的协议之一，它提供了数据包的逻辑寻址、分片与重组、路由选择等功能。

IP 协议的基本功能

1. 逻辑寻址（Logical Addressing）：

   • IP协议提供了IP地址，这是数据在网络中传输的标识符。每个网络中的设备都通过IP地址进行标识，数据包通过目标IP地址传输到目标设备。
   • IP地址具有层级结构，支持路由选择。

2. 路由选择（Routing）：

   • 路由器根据IP地址和路由表决定数据包的转发路径。数据包从源设备出发时，经过多个路由器的转发，最终到达目的设备。
   • IP协议负责将数据包从一个网络传输到另一个网络。

3. 分片与重组（Fragmentation and Reassembly）：

   • 如果数据包过大，超出了某个网络的最大传输单元（MTU），IP协议会对数据包进行分片，每个分片都会包含源地址和目标地址，确保分片能够顺利到达目的设备。
   • 目的设备接收到所有分片后，将它们重新组合为原始数据包。

4. 无连接（Connectionless）：

   • IP协议是无连接的，这意味着数据包在传输过程中没有建立连接的概念。每个数据包都是独立的，路由器在转发时不会维护状态信息。
   • 如果数据包丢失或出现错误，IP协议不会自动重发或纠正，通常依赖于传输层的协议（如TCP）来处理这些问题。

5. 不可靠性（Unreliable）：

   • IP协议不提供错误检测与纠正的功能，它仅仅负责数据包的传输和路由。数据包传输过程中可能发生丢包、重复或错误，可靠性由上层协议（如TCP）保证。

IPv4 协议详解

1. IPv4 地址

IPv4使用32位地址表示，通常以四组十进制数表示，每组数字用“.”分隔，如 192.168.1.1。每组数字的范围是0到255。IPv4地址分为以下几类：

• A类地址：1.0.0.0 到 127.255.255.255，支持16,777,214个主机。
• B类地址：128.0.0.0 到 191.255.255.255，支持65,534个主机。
• C类地址：192.0.0.0 到 223.255.255.255，支持254个主机。
• D类地址：224.0.0.0 到 239.255.255.255，用于组播。
• E类地址：240.0.0.0 到 255.255.255.255，保留地址，通常不用于公共网络。

IPv4地址还包含子网掩码（subnet mask），用于确定网络地址和主机地址的边界。

2. IPv4 数据包结构

IPv4数据包由头部和数据部分两部分组成：

• IP头部：用于数据包的路由、识别、差错检测等。
• 数据部分：即需要传输的上层数据。

IPv4头部格式

3. IPv4 分片与重组

IPv4数据包的分片和重组机制是为了应对不同网络的MTU（最大传输单元）限制。数据包在经过一个网络时，若该网络的MTU小于数据包大小，路由器会将数据包分割成多个较小的片段，每个片段包含完整的IP头部，保证数据包能够在任何网络上传输。

• 分片：当数据包大于网络的MTU时，IP协议会将数据包分成多个小片段，每个片段包含数据包的标识符和偏移量信息，以便目标主机进行重组。
• 重组：目标设备接收到所有分片后，会根据标识符和偏移量将这些片段重新组装成完整的数据包。

4. 路由与转发

• 路由器：IPv4数据包通过网络中的路由器转发，路由器根据目标IP地址和路由表选择最佳路径。
• 路由表：每个路由器都有一个路由表，记录了不同网络段的路由信息，决定了数据包的转发方向。

IPv6 协议详解

IPv6是为了克服IPv4地址短缺等问题而设计的下一代IP协议。它使用128位地址，可以提供几乎无限的地址空间。

IPv6的地址类型有以下几种：

• 单播（Unicast）：表示一个源设备和一个目标设备之间的通信。
• 多播（Multicast）：表示数据包发送给一组目标设备。
• 任播（Anycast）：表示数据包发送给一组设备中的任何一个设备，通常是距离最短的设备。

IPv6 数据包结构

IPv6相对于IPv4简化了头部结构。IPv6的报文头部包含以下字段：