计算机网络之IP协议与以太网

⭐️前面的话⭐️

本篇文章将介绍网络层和数据链路层的协议——IP协议与以太网，包括协议的格式，以及协议中每个字段的作用。

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🍒1.IP协议

🍇1.1IP协议格式

IP是网络层传输的一种主流的传输协议，目前包括两个版本，一个是IPv4，另一个是IPv6，从全球范围来看IPv4仍然占据主流地位，不过在国内IPv6基本上部署的差不多了。
下面关于IP协议格式的介绍以IPv4为主。

🍉1.1.1IPv4格式

IPv4协议格式如下：

版本（4位）：用来描述IP协议的版本，

0100

表示版本为

4

，即IPv4，如果版本为

0111

表示版本为

6

，即IPv6。

首部长度（4位）：表示IP协议首部的长度，单位是4字节，因此IP协议首部最大长度为

15*4=60

字节。
服务类型TOS（8位）：实际只有4位是有效的，TOS用来切换IP传输的状态，TOS有效的4位分别表示最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四种状态，在同一时间传输时，只能选择一种。

数据总长度（16位）：与UDP中表示的最大报文长度类似，表示数据载荷的最大长度，最大长度不超过16位，即64k，如果数据大小超过64k了，则需要对数据进行分包发送，虽然分包是下策，但是IP协议自身已经实现了有关分包组包的操作，保证组包后数据的顺序不被打乱，实现有关分包组包字段为16位标识，3位标志，13位片偏移。
标识（16位）：其实相当于“快递编号”，如果一个快递太大了需要分开发送，那么分开发送的这几个包裹的“快递单号”是一样的，标识就是起到一个类似的作用，就是当将数据分包发送时，同一个数据报的数据，标识是相同的。
标志（3位）：其实有效的就1位，即第三位，3位中，第一位保留备用，第二位为

1

表示禁止分片，为

0

表示允许分片，第三位表示数据分包时，如果是源数据的最后一个包，则会将标志位置为

0

，否则为

1

。

片偏移（13位）：由13位构成，用来标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置，这样就算出现先发的包后到的情况，也能确定该包在原始数据中的位置。
生存时间TTL（8位）：它最初的意思是以秒为单位记录当前包在网络上应该生存的期限，然而，在实际中它是指可以中转多少个路由器的意思。每经过一个路由器，TTL会减少1，直到变成0则丢弃该包（TTL占8位，因此可以表示0～255的数字。因此一个包的中转路由的次数不会超过

     2
    
    
     8
    
   
   
    =
   
   
    256
   
  
  
   2^8 =256
  
 
28=256个。由此可以避免IP包在网络内无限传递的问题。）

协议（8位）：表示传输层使用的是哪一种协议，比如TCP的编号是

6

，UDP编号为

17

。
首部校验和（16位）：用来校验数据是否正确。
源地址，目标地址（32位）：源地址表示发送方的IP地址，目标地址表示接收方的IP地址，大小为32位，也就是说最多能够给大约42亿9000万的设备分配地址，由于互联网的快速发展，IP地址快不够用了，所以就有了IPv6，据说它能够给地球上的每一粒沙子分配地址。对于IPv4中的IP地址，通常使用点分十进制的方式来表示IP地址，就是将32位等分成4份每份8位，比如

192.168.31.70

这样的一串数字。
可选项：长度可变，通常只在进行实验或诊断时使用。该字段包含如下几点信息：安全级别，源路径，路径记录，时间戳。
填充：选项可能不是32位的整数倍，为此，通过向字段填充0，调整为32比特的整数倍。

🍉1.1.2IPv6协议格式

关于IPv6相比于IPv4的变化，《图解TCP/IP》有如下解释：

IPv6中为了减轻路由器的负担，省略了首部校验和字段（因为TCP和UDP在做校验和计算的时候使用伪首部，所以可以验证IP地址或协议是否正确。因此，即使在IP层无法提供可靠传输，在TCP或UDP层也可以提供可靠传输的服务。关于这一点可以参考TCP或UDP的详解。）。因此路由器不再需要计算校验和，从而也提高了包的转发效率。此外，分片处理所用的识别码成为可选项。为了让64位CPU的计算机处理起来更方便，IPv6的首部及可选项都由8字节构成。

IPv6协议结构如下：

对比与IPv4做出一些总结：

1. 版本的作用与IPv4相同。
2. 通信量类与IPv4的TOS作用类似。
3. 流标号听说用于服务质量控制，emm，不太了解。
4. 有效载荷长度和IPv4数据总长度意思一样，不够IPv6称自己能够最大能够一次发送4G的数据，听说是可选项的功劳。
5. 下一个首部字段，相当于IPv4协议字段。
6. 源地址与目标地址相当于IPv4的源地址与目标地址，IPv6拥有128位，我算算，位数相当于IPv4的四倍，那么能够表示地址的大小就是IPv4能够表示地址大小的4次幂，太恐怖了，听说能够给地球上的每一粒沙子编号。
7. 跳数限制相当于IPv4的生存时间TTL。

🍇1.2IP地址

上面说了那么多有关IP协议格式，但IP地址究竟是什么呢？对于IPv4，IP地址本质上就是一串32位的序号而已，以点分十进制的方式呈现出来，即平均将这32位平分为4份，每份8位，使用

.

分割，每份数据的范围为0-255，比如

192.168.31.70

就是一个IP地址。

IP地址分为两个部分，即网络号+主机号，网络号能够描述当前的网段信息（局域网标识），主机号区分了局域网中的主机。

要求在同一个局域网内，网络号必须相同，主机号不能相同，两个相邻的局域网（同一台路由器连接），网络号是不同的。

比如上面的

192.168.31.70

，

192.168.31

表示网络号，

70

表示主机号。但是网络号的位数与主机号的位数是固定的吗？当然不是，在计算机网络，有一个专有名词叫做子网掩码 ，它也是一个32位的数，对应IP地址的每一位，如果为

1

就表示这一位是网络号，为

0

就表示主机号，子网掩码不会混着排列，左边为

1

表示网络号，右边为

0

表示主机号。

打开电脑的命令行，输入

ipconfig

，就能获取到本机的IP地址：

就能获取到本机的IP地址和子网掩码，上图表示的子网掩码表示前24位是网络号，后8位表示主机号，毕竟自己的路由器也连接不了不少设备，8位完全够用，如果是公司或者学校，主机号很可能会长一点。

一些特殊的IP地址，如果IP地址的主机号为0，那么这个IP就是网络号，一般局域网内正常的设备主机号不会为0，如果IP地址的主机号全为1，那么这个IP就表示广播IP地址，即在这个广播地址上发送消息，整个局域网都会收到。

还有，127开头的IP地址，表示环回IP，就是表示主机自己，比较常用的就是

127.0.0.1

。IP地址是10开头，192.168开头，172.16~172.31开头的IP地址是同一个局域网内部的IP（内网IP），除去上面这一些类型的IP地址，剩下的IP称为外网IP，也就是直接在广域网使用的IP。

有关局域网与广域网IP我有以下几点说明：

1. 内网IP在局域网内部是唯一的，但是在不同的局域网内，可以存在相同的IP地址。
2. 外网IP是唯一的，每个外网IP对应一个唯一的设备。

我们知道，IPv4地址最多能够支持42亿9000万的设备编号，但是随着互联网的迅速发展，很快就不够用了，因此提出了三种解决方案：

1. 动态分配IP地址，就是当设备上网的时候才分配IP，否则不分配IP，这种方案指标不治本，问题并没有完全解决。
2. NAT机制，当前网络环境使用的就是这种方案，就是让多个设备使用同一个外网IP，我们用的最多就是运营商的IP，这就把网络分为了两个部分，一个是局域网，另一个是广域网，当我们多个设备连接上运营商提供的网络时，这些设备就组成了一个局域网，IP通常是198.168开头，而我们知道不同局域网的IP是允许相同的，外网IP是唯一，这就缓解了外网IP分配的压力，对于外网IP，我们在互联网任意的位置都能访问，而对于内网IP，只能在所在的局域网内才能访问。同样，这个方法，只是解燃眉之急，治标不治本。
3. IPv6，我们前面说过，IPv6的IP地址大小是128位，位数是IPv4的4倍，那么能够支持编号数是IPv4的4次幂，听说能够为地球上的每一粒沙子进行编号，我们知道，制造电脑需要硅，硅由沙子提取，如果能够为沙子编号，那电脑等设备也不在话下，至少在人类到达星际文明之前都是够用的，这是根本方法。

关于NAT机制，我再补充一点，就是多个设备使用一个IP地址，在这多个设备组成的局域网中，有多台设备访问外网的同一服务器，服务器收到的IP地址是一样的，那该如何区分请求是来自那一台设备呢？很简单，通过端口进行识别，如果在这个局域网在存在相同的端口号，则系统会重新分配端口号，当然如果这个局域网连接的设备太多了，端口号不够用了那就好出现问题了，这也是NAT机制的问题，最根本的方法是使用IPv6。

既然IPv6这么香，为什么现在还流行IPv4+NAT呢？主要的原因就是IPv6与IPv4不兼容，那就造成需要升级IPv6就得换设备，那换设备要钱吧，那这钱谁出呢？但是我们国内IPv6升级的差不多了，主要是工信部给力啊。

🍇1.3路由选择

路由选择其实就是规划路径，数据想要从一个设备到另一个设备，需要先规划一条路出来，然后数据沿着这条路进行传输，传输到目标IP地址。

但是仅仅拥有目标IP是不够的，在数据发送的过程中还需要类似于“指明路由器”的类似信息，才能发送到目标地址。
也就是说，数据传输过程中如果不知道目标地址在哪，它就会找就近的人问路，就算给不出一条具体的路径，但是也会获得一个大致的方向，然后数据会沿这个方向走一段距离，找到另外一个路由器，这个过程也被称为下一跳，找到路由器后，又会进行问路，如果路由器知道目标地址在哪里，就会把路径的细节告诉这个数据，然后数据就会按照这个路径找到目标地址，如果这个路由器也不知道在哪，就会给出一个方向，以此类推，直到找到这个目标地址为止。

那路由器为什么能够找到目标地址，或者大致的一个方向呢，这是路由器中维护了一个路由信息表，表里面记录一些网段信息以及每个网络号对应的网络接口。至于路由器时如何形成路由表的，一是当路由器接入网络后，就会和相邻的设备“认识认识”，在认识的时候就构造了这个信息表，二是通过网络管理员手动导入。

🍒2.以太网

数据经过网络层的封装后，会进入数据链路层进一步封装，数据链路层最常用的协议就是“以太网”，协议格式如下：

目的地址，源地址（6字节）：数据链路层的地址是MAC地址，表示物理层地址，每一个设备只有一个物理层地址，这在硬件出厂时就已经写死的（大部分），它的地址长度比IPv4长了6w多倍，如

80-30-49-26-8E-D9

就是一个物理地址，在命令行输入

ipconfig /all

就能够查看自己设备的物理地址。
帧尾（4字节）：帧尾的功能一般是校验，它是一个叫做FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）或CRC算法实现的校验和。

以太网数据帧的最大数据载荷称为MTU，这个范围一般取决于硬件设备，不同硬件设备的MTU也不同。数据链路层考虑的是相邻设备，或者说是直接连接设备的数据传输，考虑到这个细节的时候，就需要关注传输的硬件设备，不同的硬件，搭载的数据量也不同。

除了MTU还有一个类似的概念，那就是MSS，表示在不分包的情况下，除去IP与TCP首部能够搭载的最大容量。

ARP报文，并不是用来传输数据的，而是一个辅助信息，就是将IP地址与MAC地址一一对应起来，建立成一个类似哈希表的映射关系，MAC地址每传输一次都会发生改变。当设备启动的时候，就会在所处的局域网发起一个广播，获取局域网内设备的IP与MAC地址，根据各个设备响应的信息就能建立一个IP与MAC对应的映射表。

🍒3.DNS域名解析

对于我们人类来书说，IP地址并不好记，为了方便人类的记忆，就将IP地址用一个域名（比如

www.baidu.com

）来指代，而DNS能够将IP与域名对应起来，形成映射关系。

DNS最开始的时候就是一个hosts文件，不过随着发展，现在就有一个机构专门在服务器上维护hosts文件，如果你需要域名解析，就可以访问它们的网站获取。

当然，就一个根服务器是满足不了全球用户的访问的，于是运营商就就近架设了镜像的服务器，镜像服务器会定时同步根服务器上的数据。

当我们主机查询一次DNS后，会把查询结果缓存保留一段时间，这样下一次访问网站的时候就不用频繁地查询DNS了，一般情况下，电脑会自动获取DNS域名解析地址（默认项）。
打开电脑的网络设置，点击“更多网络适配器选项”。

右键WLAN或以太网，选择属性。

选择IPv4的属性就能设置了。

这样就可以自己去设置DNS域名解析的地址了，常用的有114.114.114.114，当然还有很多很多，网上一查全都是。

下期预告：一文带你认识HTML
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