网络层——IP协议详细解读-Toy模板网

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IP协议

之前介绍了传输层的重点协议，TCP和UDP协议，以下将介绍网络层的重点协议IP协议。

1. IP协议的报文格式

IP地址 本质上是一个32位整数，在机器中按4个字节存储。现实中通常将其用点分十进制表示，比如：192.168.1.1三个点将32位整数分为四部分，每部分一个字节，取值为0-255。
IP协议的报文格式如图所示：
网络层——IP协议详细解读

4位版本号：IP协议的版本号，目前有IPv4和IPv6两个版本。
4位首部长度：IP的报头和TCP类似，都是长度可变的，带有选项。4位的取值范围为0-15，它的单位为4字节。
8位TOS：其中4位有效，分别表示最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。表示某一时刻的状态，同一时刻只能取一种状态。
16位总长度：表示最大长度64k，单个IP数据报最大长度不能超过64k。如果超过长度可以采用分包和组包的方法。
以下三个字段就是用来分包组包的，多个被拆分的IP数据报的16位标识相同，13位偏移确定拆分的数据报顺序，三位标志位有一位有效，为0时表示不是最后一个数据报，1时表示为最后一个数据报。

注意： IP协议数据报的分包只针对接收到的数据拆分，举例如果是一个TCP数据那么我们只针对数据部分拆分不拆分TCP报头。
8位生存空间：表示一个IP数据报在网络上还能存在多久，单位为转发次数，也就是最多能转发多少次。如果出现数据包中的IP地址是永远到达不了的，此时不断转发会占用过多的硬件资源，所以设置了一个最大的转发次数。
8位协议：用于标识传输层使用的协议。
16位首部校验和：用来校验传输的数据是否正确。
32位源IP地址：表示发件人地址。
32位目的IP地址：表示收件人地址。

2. IP协议的地址管理

上述了解到IP地址实际是32位整数，那么表示的地址就是有限的，如果出现地址不够用，如何解决呢？

在IP协议中有三种处理方式：动态分配IP地址 、NAT机制 、IPv6协议 。

动态分配地址：设备上网就分配ip地址，不上网就不分配，但是这种方式并没有增加ip的数量，只是暂时缓解，如果同时上网个数达到一定量也会不够用。
NAT机制：将ip地址分为两类，内网IP 和外网IP，此时规定外网IP必须是唯一的，内网IP可以重复出现（在不同局域网中）。如果内网设备要访问外网，就会给他分配一个外网IP，但是这个外网IP并不是该设备独有，而是该内网中所有设备公用。
内网IP主要为：（1）10.开头（2）172.16. 到 172.31.* （3）192.168.开头。
外网IP为： 剩下的IP地址。
举例说明：
如果我的主机连接了宿舍的路由器，当我想要访问百度时，我的 IP协议数据包 传输到路由器时，路由器会将我们的IP地址（源ip地址）替换成自己的 IP地址（外网IP地址），此时再传输给百度服务器，百度认为该数据包来自于路由器。得出结论外网设备无法直接访问内网设备。
如果此时有连接路由器的两个主机都访问百度，返回两个数据报到路由器时。此时路由器会根据自己替换了谁的ip地址进行区分，就能将数据转发回对应的主机。
这种方法也只是提高了ip地址的利用率，并没有增加ip地址
IPv6协议：它是使用16个字节，128位来表示IP地址，此时增加了大量的IP地址解决IP不够用问题。但是目前并没有开始启用，只是某些路由器等设备支持了IPv6协议，一般默认关闭IPv6。

3. IP地址的组成

ip地址分为两部分：

网络号：表示网段（局域网），保证相互连接的两个网段具有不同标识。
主机号：表示主机，同一局域网这主机之间具有相同的网络号，不同的主机号。

对于路由器：一个路由器有两个IP地址，WAN口IP和LAN口IP，分别在不同的局域网中，路由器的作用就是将两个局域网连接起来。我们上述讲到路由器替换IP地址，是将我们主机的IP地址（内网）替换成路由器的外网IP地址。

LAN口（Local Area Network）：表示连接本地网络的端口，主要与家庭网络中的交换机、集线器或PC相连。
WAN口（Wide Area Network）：表示连接广域网的端口，一般指互联网。

如图：我们的电脑连接路由器的LAN口，路由器WAN口连接另一个路由器的LAN口（连通另一个局域网），此时绿色部分为一个局域网，路由器与另一个路由器也处一个局域网，另一个路由器LAN口也可以连接其他设备同处一个局域网。
网络层——IP协议详细解读

DHCP协议

实际手动管理IP地址是一个非常麻烦的事情，当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址，当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收，便于分配给后续新增的主机使用。

因此对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用DHCP动态主机配置协议。
DHCP通常被应用在大型的局域网环境中，其主要作用就是集中地址管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态获得IP地址Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。
DHCP是一个基于UDP的应用层协议，一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作一个DHCP服务器。

当我们连接WiFi时，如果验证通过，路由器就会给你动态分配了一个IP地址，然后你就可以基于这个IP地址进行上网。

注意： 在IP地址中网络号与主机号的划分界限是不一定的。主要有两种分类方式：

IP地址划分类：这种方式比较繁琐目前已经不使用了。
划分方式如图所示：

各类IP地址的取值范围如下:
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。
子网掩码方式：子网掩码也是32位整数，我们可以通过ping查看电脑的子网掩码，表示形式与IP地址一样。

如图所示：站在二进制角度看左侧有几位1，对应的的IP地址的那些位就是网络号。
网络层——IP协议详细解读

以上则表示IP地址前24位都为网络号，剩下的为主机号，一般家用网络子网掩码一般为：255.255.255.0

** 一些特殊的IP地址：**

将IP地址中的主机地址全部设为0，如：192.168.0.0；成为了网络号，代表这个局域网。
将IP地址中的主机地址全部设为1，如：192.168.0.255；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。通常适用于不知道对方IP地址需要探测的情况下
127.* 的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1。环回IP对应特殊的虚拟网卡，传输数据时没有IO操作，纯内存操作，所以比一般普通IP传输数据要快。
主机号为1，如192.168.0.1，一般作为网关IP（并不绝对），是局域网的出入口。