网络层协议IP

IP协议：

基本概念
主机:配有IP地址,也要进⾏路由控制的设备;
路由器:即配有IP地址,⼜能进⾏路由控制;
节点:主机和路由器的统称

协议头格式

固定部分（20字节）

字段名	位数	含义
版本（Version）	4位	IP协议版本，IPv4为 4。
首部长度（IHL, Internet Header Length）	4位	表示IP首部的长度，单位为4字节。最小值为5（即20字节），最大值为15（即60字节）。
区分服务（DS, Differentiated Services）	8位	用于服务质量（QoS），如优先级、延迟、吞吐量等。也叫TOS（Type of Service）。
总长度（Total Length）	16位	整个IP数据报的总长度（首部 + 数据），单位为字节。最大为65535字节。

分片相关字段（用于IP分片）

字段名	位数	含义
标识（Identification）	16位	每个数据报的唯一标识符，用于分片重组。同一原始数据报的所有分片标识相同。
标志（Flags）	3位	控制是否允许分片。各位含义如下： – 第1位：保留（必须为0） – 第2位：DF（Don’t Fragment，禁止分片） – 第3位：MF（More Fragments，后面还有分片）
片偏移（Fragment Offset）	13位	表示当前分片在原始数据报中的位置，单位为8字节。用于重组分片。

生存与校验字段：

字段名	位数	含义
生存时间（TTL, Time to Live）	8位	数据报在网络中最多可经过的路由器跳数，每经过一个路由器减1，为0时丢弃，防止循环。
协议（Protocol）	8位	指示上层协议类型，如： – 1：ICMP – 6：TCP – 17：UDP
首部检验和（Header Checksum）	16位	仅对IP首部进行差错检测，不包括数据部分。每经过一个路由器都要重新计算。

 地址字段

字段名	位数	含义
源地址（Source Address）	32位	发送方的IP地址。
目的地址（Destination Address）	32位	接收方的IP地址。

可变部分（可选字段）

字段名	位数	含义
选项（Options）	可变	可选字段，用于扩展功能，如记录路由、时间戳、安全选项等。很少使用。
填充（Padding）	可变	用于确保首部长度为32位的整数倍（即4字节对齐）。

 数据部分

字段名	含义
数据（Data）	上层协议的数据（如TCP、UDP、ICMP等）。

⽹段划分

1.不同的⼦⽹其实就是把⽹络号相同的主机放到⼀起.
2.如果在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,但是主机号必须不能和⼦⽹中的其他主机重复

过去曾经提出⼀种划分⽹络号和主机号的⽅案,把所有IP地址分为五类

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

随着Internet的⻜速发展,这种划分⽅案的局限性很快显现出来,⼤多数组织都申请B类⽹络地址,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允许6万5千多个主机.A类地址的⼦⽹内的主机数更多
然⽽实际⽹络架设中,不会存在⼀个⼦⽹内有这么多的情况.因此⼤量的IP地址都被浪费掉了

针对这种情况提出了新的划分⽅案,称为CIDR(ClasslessInterdomainRouting)
引⼊⼀个额外的⼦⽹掩码(subnetmask)来区分⽹络号和主机号;
⼦⽹掩码也是⼀个32位的正整数.通常⽤⼀串”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;
⽹络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类⽆关

IP地址的数量限制

我们知道,IP地址(IPv4)是⼀个4字节32位的正整数.那么⼀共只有2的32次⽅个IP地址,⼤概是43亿左右.⽽TCP/IP协议规定,每个主机都需要有⼀个IP地址.这意味着,⼀共只有43亿台主机能接⼊⽹络么?
实际上,由于⼀些特殊的IP地址的存在,数量远不⾜43亿;另外IP地址并⾮是按照主机台数来配置的,⽽是每⼀个⽹卡都需要配置⼀个或多个IP地址.
CIDR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,但是IP地址的绝对上限并没有增加),仍然不是很够⽤.这时候有三种⽅式来解决

1.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地址不⼀定是相同的;
2.NAT技术
3.IPv6:IPv6并不是IPv4的简单升级版.这是互不相⼲的两个协议,彼此并不兼容;IPv6⽤16字节128位来表⽰⼀个IP地址;但是⽬前IPv6还没有普及

私有IP地址和公⽹IP地址

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,理论上使⽤任意的IP地址都可以,但是RFC1918规定了⽤于组建局域⽹的私有IP地址

• ⼀个路由器可以配置两个IP地址,⼀个是WAN⼝IP,⼀个是LAN⼝IP(⼦⽹IP).
  路由器LAN⼝连接的主机,都从属于当前这个路由器的⼦⽹中.
  
• 不同的路由器,⼦⽹IP其实都是⼀样的(通常都是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地址就可以重复了.
  
• 每⼀个家⽤路由器,其实⼜作为运营商路由器的⼦⽹中的⼀个节点.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地址成为⼀个公⽹IP.这种技术称为NAT(NetworkAddressTranslation，⽹络地址转换).
  
• 如果希望我们⾃⼰实现的服务器程序,能够在公⽹上被访问到,就需要把程序部署在⼀台具有外⽹IP的服务器上.这样的服务器可以在阿⾥云/腾讯云上进⾏购买

路由

在复杂的⽹络结构中,找出⼀条通往终点的路线

IP数据包的传输过程也和问路⼀样.
1.当IP数据包,到达路由器时,路由器会先查看⽬的IP;
2.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;
3.依次反复,⼀直到达⽬标IP地址

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