IP 协议

网络层负责在复杂的网络环境下确定一个合适的路径。IP 协议是网络层中的重要协议，在本篇文章中，我们就来学习 IP 协议

IP协议，主要的负责两方面：

地址管理：使用一套地址体系，来描述互联网上每个设备所处的位置

路由选择：一个数据包，如何从网络中的某个地址，传输到另一个地址

我们首先来了解一些基本概念：

主机：配有 IP 地址，但是不进行路由控制的设备

路由器：配有 IP 地址，还能进行路由控制

节点：主机 和 路由器 的通称

协议格式

4 位版本号（Version）：指定协议的版本，对于IPv4，该字段为 4

4 位首部长度（Header Length）：IP 头部的长度是多少个 32bit，也就是** length * 4 字节数**，4bit表示最大的数字是15，因此，IP 头部的最大长度是 60 字节

8位服务类型（Type Of Service）：3位优先权字段，4位TOS字段，1位保留字段（必须置为0），4位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性 和 最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。例如：对于 SSH/Telnet，最小延时比较重要，而对于 FTP，最大吞吐量比较重要

16 位总长度（Total Length）：IP 数据报整体（头部 + 数据）占多少个字节

16 位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。若 IP 报文在数据链路层被分片了，那么，每一批里的 id 都是相同的

3 位标志位（Flags）：

第一位保留（现在不使用，以后可能用到）

第二位为1表示禁止分片，若此时报文长度超过MTU，就会丢弃报文

第三位表示 更多分片，若进行了分片，最后一个分片置为1，其他为0，类似于一个结束标记

什么是分片？

分片就是将一个大的数据包拆分成多个小的数据包的过程，以适应网络中不同设备的最大传输单元（MTU） 。数据包可能会因为网络路径上的 MTU 限制而被分片，每个分片都是一个独立的IP数据包，包含原始数据包的一部分。接收端会重新组装这些分片，恢复成完整的数据包。

13位分片偏移（Fragment Offset）：是分片相对于原始IP 报文开始处的偏移，表示当前分片在原报文的哪个位置，实际的偏移字节数为 偏移量 * 8，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（否则就不连续了）

8 位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数（一般为 64），每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没有到达，就丢弃。这个字段用来防止出现路由循环

8 位协议：上层协议类型

16 位头部校验和：使用** CRC **进行校验，来鉴别头部是否损坏

32 位源地址：发送端，发送数据包的源 IP 地址

32 位目的地址：接收端，接收数据包的目标 IP 地址

选项字段：不定长，最多 40 字节

数据：实际传输的数据，IP 头部之后的部分

地址管理

IP 地址本质上是一个** 32 位的整数**，为了方便，常用 **点分十进制 **的方式进行表示（通过 3 个 . 将其划分为 4 个部分，每个部分 1 字节，每个部分的取值都是 0 - 255）

IP 地址的存在，目的就是为了能够区分网络上的不同设备，希望每个网络设备都要唯一的一个 IP 地址

网段划分

IP 地址分为两个部分：网络号和主机号

网络号：保证互相连接的两个网段具有不同标识

主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但必须具有不同的主机号

其中，不同的子网其实是将网络号相同的主机放到一起

若子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但主机号不能与子网中其他主机重复

通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在互相连接的网络中，每台主机的 IP 地址都不相同

那么，该如何管理子网内的 IP 呢？

若我们手动管理，则会非常麻烦。有一种技术叫做 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。一般的路由器都会带有 DHCP 功能，因此，路由器也可以看做一个 DHCP 服务器

在过去，提出过一种划分网络号和主机号的方案：将所有 IP 地址划分为 5 类：

A类：0.0.0.0 - 127.255.255.255

B类：128.0.0.0 - 191.255.255.255

C类：192.0.0.0 - 223.255.255.255

D类：224.0.0.0 - 239.255.255.255

E类：240.0.0.0 - 247.255.255.255

但是，随着互联网的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就体现出来了：大多数组织都会申请B类地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址

例如：

申请了一个B类地址，理论上一个子网内能够有 6 万多台主机，A 类地址的子网内主机数量更多

但在实际的网络中，不会存在一个子网中有这么多台主机的情况，因此，大量的IP地址都被浪费掉了

针对这种情况，就有了新的划分方案 ——** CIDR（Classless Interdomain Routing）**

引入一个额外的子网掩码（subnet mask）来区分网络号和主机号

子网掩码也是一个 32 位的正整数，通称以一串 0 来结尾

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

网络号和主机的划分就与这个IP地址是 A 类、B 类 还是 C 类无关了

例如：

IP 地址与子网掩码进行** 与运算 **就可以得到网络号，主机号从 全0 - 全1 就是子网的地址范围

IP 地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法：143.251.30.44/24，表示 IP 地址为 143.251.30，子网掩码的高 24 位为 1，也就是 255.255.255.0

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，表示这个局域网

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

1. • 的 IP 地址用于本机环回（loop back）测试，通常使用的是 127.0.0.1

IP 地址的数量限制

IP 地址（IPv4）是一个 4 字节（32位的正整数），也就是2的32次方个IP 地址，大概是 43 亿，而在 TCP/IP 协议中规定：每个主机都需要有一个 IP 地址。此外由于一些特殊的 IP 地址存在，可使用的 IP 数量远不足 43 亿。而且，IP 地址并非是按照主机台数来配置的，而是每个网卡都需要配置一个或多个 IP 地址

CIDR 虽然在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题（提高了利用率，减少了浪费，但IP地址的总数并没有增加），但仍然不够用，此时该如何解决呢？

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 地址不一定相同

NAT技术：后面详讲

IPv6：IPv6 并不是 IPv4 的简单升级版，它们是互不干扰的两个协议，彼此并不兼容，IPv6 用 16 字节（128位）来表示一个地址，增加了 IP 地址的个数，是从根本上解决问题的方案，但目前 IPv6 还未普及

在了解 NAT 技术之前，我们先来学习** 私网IP地址 和 公网IP地址**

私网IP地址 和 公网IP地址

若一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内部通信，而不连接到互联网上，理论上，可以使用任意 IP 地址，但 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址：

**10. * **：前8位是网络号，共 16 777 216 个地址

172.16 - 172.31：前 12 位是网络号，共 1 048 567 个地址

*192.168. **：前16位是网络号，共 65 536 个地址

在这个范围中的，都称为** 私网IP，其余的则称为全局IP（或公网IP）**

局域网内的设备访问局域网内的另一个设备没有任何问题，那局域网内的设备如何访问另一个局域网中的设备呢？

一个路由器可以配置两个 IP 地址：一个 WAN 口IP，一个** LAN 口IP（子网IP）**

路由器 LAN 口连接的主机，都从属当前这个路由器的子网中

不同路由器，子网IP其实都是一样的（通常是 192.168.1.1），子网内的主机 IP 地址不能重复，但是子网之间的 IP 地址可以重复

每一个家用路由器，又作为运营商路由器子网中的一个节点，这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN 口 IP 就是一个公网 IP 了

子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器首先将 IP 首部中的 IP 地址进行替换（替换成 WAN 口 IP），这样逐级替换，最终数据包中的 IP 地址称为了一个公网IP，这种技术称为** NAT（Network Address Translation，网络地址替换）**

这样，局域网内的主机就可以访问到局域网外的设备了

上述进行替换，就能够让一个 公网 IP 对应多台设备，从而达到节省 IP 地址的效果

局域网内的设备通过 NAT 访问外部信息，那返回数据时，该如何找到这台设备呢？

路由器进行 NAT 时，会把这次通信的相关信息记录下来

此时，路由器通过查表，找到对应表项，就能把 目的 IP 还原成之前 局域网设备的 IP 了

若局域网的各个设备，访问的是不同的服务器

路由器就可以简单的通过服务器 IP 地址来进行区分当前是哪次替换，之前是如何替换的，就如何替换回去

但是，若局域网内的多台设备，访问同一个服务器，此时又如何找到对应的设备呢？

上述的表中，不仅包含 源IP 和 目的IP，还包含 源端口 和 目的端口，路由器在进行查表时，不仅会查源 IP 和 目的 IP，还会查源端口和目的端口

路由器在收到响应后，就可以查询传输层中的 源端口

由于客户端的端口号是系统随机分配的，因此，两个主机之间的端口，大概率是不相同的

可万一局域网中的两台设备不仅访问同一个服务器，分配的端口号也相同呢？

此时路由器就会对端口号进行映射

这时，NAT 就会修改传输层的报头（此时，路由器就不是一个纯粹工作在网络层的设备，也会涉及到传输层的内容）

但是，在大部分情况下，局域网中的不同设备，访问的是不同网址，此时就可以直接通过服务器IP区分

少数情况下，访问的是同一个服务器，此时可以加上端口号进行区分

极少数情况下，访问的是同一个服务器，且端口号相同，路由器就会自动映射成不同端口，从而进行区分

NAT 本质上也是提高 IP 的利用率，没有增加 IP 地址，而是让 IP 地址被复用

路由选择

路由选择，目的是在复杂的网络结构中，找出一条通往目的主机的路线

路由选择的过程，是 一跳一跳 的 “问路” 过程

所谓 一跳，是数据链路层中的一个区间，在以太网中指从源 MAC 地址到 目的 MAC 地址之间的帧传输区间

IP 数据包的传输过程与 问路 类似：

当 IP 数据包到达路由器时，路由器会先查看目的 IP

路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器

依次反复，一直到达目标IP地址

那么，如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？

这需要依靠每个节点内部维护一个路由表，路由表是一张包含网络路径的表格，帮助路由器决定将数据包转发到哪个下一跳设备（即下一个路由器或目的地）

若路由表中有精确匹配目标地址的条目，路由器将根据该条目决定转发路径；

若没有精确匹配，路由器会找到最长的匹配前缀，以便选择最优路径

路由表可以由网络管理员手动维护（静态路由），也可以通过一些算法自动生成（动态路由），如 距离向量算法