网络层(三)IP协议

       IP协议用于将多个包交换网络连接起来，它在源地址和目的地址之间传送一种称之为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。
       IP的责任就是把数据从源传送到目的地。它不负责保证传送可靠性，流控制，包顺序和其它对于主机到主机协议来说很普通的服务。
       IP实现两个基本功能：寻址和分段。IP可以根据数据包包头中包括的目的地址将数据包传送到目的地址，在此过程中IP负责选择传送的道路，这种选择道路称为路由功能。如果有些网络内只能传送小数据包，IP可以将数据包重新组装并在报头域内注明。IP模块中包括这些基本功能，这些模块存在于网络中的每台主机和网关上，而且这些模块（特别在网关上）有路由选择和其它服务功能。

一.IP地址

       如数据链路层的MAC地址一样，MAC地址是用来标识同一个链路中不同计算机的一种识别码。在网络层中，IP地址用来进行“在连接到网络中所有主机中识别出进行通信的目标地址”。因此，在TCP/IP通信中所有主机或路由器都必须设定自己的IP地址。
　　IP地址（IPv4）有32为正整数来表示。TCP/IP要求将IP地址分配给每一个参与通信的主机。
　　实际上IP地址不是由主机配置的，而是有网卡设置的，并且一个网卡其实可以设置多个IP地址。

1. 概述：

       电脑之间要实现网络通信，就必须要有一个合法的ip地址。IP地址=网络地址+主机地址，（又称：主机号和网络号组成）ip地址的结构使我们可以在Internet上很方便的寻址。ip地址通常用更直观的，以圆点分隔号的四个十进制数字表示，每个数字从0到255，如某一台主机的ip地址为：128.20.4.1在局域网里，同样也需要ip地址，一般内网的ip地址是以192.168开头的，这样很容易区分公网和内网的ip地址。
        Windows系统中设置IP地址的界面如图1所示,图中出现了IP地址,子网掩码,默认网关和DNS服务器这几个需要设置的地方,只有正确设置,网络才能通,那这些名词都是什么意思呢 学习IP地址的相关知识时还会遇到网络地址,广播地址,子网等概念,这些又是什么意思呢 ？

        如图所示,住在北大街的住户要能互相找到对方,必须各自都要有个门牌号,这个门牌号就是各家的地址,门牌号的表示方法为:北大街+XX号.假如1号住户要找6号住户,过程是这样的,1号在大街上喊了一声:”谁是6号,请回答.”,这时北大街的住户都听到了,但只有6号作了回答,这个喊的过程叫”广播”,北大街的所有用户就是他的广播范围,假如北大街共有20个用户,那广播地址就是:北大街 21号.也就是说,北大街的任何一个用户喊一声能让”广播地址-1”个用户听到.

从这个例中可以抽出下面几个词:
街道地址:北大街,如果给该大街一个地址则用第一个住户的地址-1,此例为:北大街0号
住户的号:如1号,2号等.
住户的地址:街道地址+XX号,如北大街 1号,北大街 2号等
广播地址:最后一个住户的地址+1,此例为:北大街21号

Internet网络中,每个上网的计算机都有一个像上述例子的地址,这个地址就是IP地址,是分配给网络设备的门牌号,为了网络中的计算机能够互相访问,IP地址=网络地址+主机地址,图1中的IP地址是192.168.100.1,这个地址中包含了很多含义.如下所示:

网络地址(相当于街道地址): 192.168.100.0
主机地址(相当于各户的门号): 0.0.0.1
IP地址(相当于住户地址): 网络地址+主机地址=192.168.100.1
广播地址: 192.168.100.255

2. IP地址分类

       IP地址的组成：IP地址有<网络号，主机号>两个部分组成。

      特殊的IP地址：

3. 子网掩码

1.概念

       对IP地址进行分类可能会对网络地址进行浪费，因此现在用的都是子网掩码。
　　这种方式实际上就是将原来A类、B类、C类等分类中的主机地址部分用作子网地址，可以将源网络分为多个物理网络的一种机制。
　　引入了子网掩码后，一个IP地址就有了两个标识码：

• IP地址本身
• 表示网络部的子网掩码
         IP子网划分实际上就是设计子网掩码的过程。子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码的作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

2.介绍

       先看看最简单的网络,图3中是用网线(交叉线)直接将两台计算机连起来.下面是几种IP地址设置,看看在不同设置下网络是通还是不通.

1. 设置1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.0,2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.0,这来台计算机就能正常通讯.

2. 如果1号机地址不变,将2号机的IP地址改为192.168.1.200子网掩码还是为255.255.255.0,那这两台就无法通讯.

3. 设置1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.192,2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.192,注意和第1种情况的区别在于子网掩码,1为255.255.255.0本例是255.255.255.192。这台计算机就不能正常通讯.

4. 
          第1种情况能通是因为这两台计算机处在同一网络192.168.0.0,所以能通,而2,3种情况下两台计算机处在不同的网络,所以不通.

          这里有个结论:用网线直接连接的计算机或是通过HUB（集线器）或普通交换机间接的计算机之间要能够相互通,计算机必须要在同一网络,也就是说它们的网络地址必须相同,而且主机地址必须不一样.如果不在一个网络就无法通.这就像我们上面举的例子,同是北大街的住户由于街道名称都是北大街,且各自的门牌号不同,所以能够相互找到对方. 计算网络地址就是判断网络中的计算机在不在同一网络,在就能通,不在就不能通.注意,这里说的在不在同一网络指的是IP地址而不是物理连接.那么如何计算呢？

3.关于子网划分

(1)关于子网掩码的计算

       我们日常生活中的地址如:北大街1号,从字面上就能看出街道地址是北大街,而我们从IP地址中却难以看出网络地址,要计算网络地址,必须借助我们上边提到过的子网掩码. 计算过程是这样的,将IP地址和子网掩码都换算成二进制,然后进行与运算,结果就是网络地址.与运算如下所示,上下对齐,1位1位的算,1与1=1 ,其余组合都为0 。

       例如:计算IP地址为:202.99.160.50子网掩码是255.255.255.0的网络地址步骤如下:
        1. 将IP地址和子网掩码分别换算成二进制
       202.99.160.50 换算成二进制为 11001010·01100011·10100000·00110010
       255.255.255.0 换算成二进制为 11111111·11111111·11111111·00000000
       2. 将二者进行与运算

       3. 将运算结果换算成十进制,这就是网络地址.
       11001010·01100011·10100000·00000000换算成十进制就是202.99.160.0

       现在我们就可以解答上面三种情况的通与不通的问题了.

1. 从下面运算结果可以看出二台计算机的网络地址都为192.168.0.0且IP地址不同,所以可以通.
   
2. 从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0,2号机的网络地址为192.168.1.0 不在一个网络,所以不通.
   
3. 从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0,2号机的网络地址为192.168.0.192 不在一个网络,所以不通
   

(2)子网划分

1.概述：

       这里有一个约定促成的规定，每个网络中，主机位全0的用作该网络ID，主机位全1则用作该网络的广播地址。很快人们就发现这样的分类方法存在着弊端：

1. IP地址空间的利用率有时很低，比如一个A类地址的主机数超过1000万，一个B类地址网络主机数也超过6万，有些企业申请到一个B类地址，但是却根本无法物尽其用，但是又不愿意让出资源，导致巨大的浪费；
2. 给每个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而是网络性能变慢；
3. 两级IP地址不够灵活，有些单位想灵活地添加删除IP地址都必须申请；
   因此人们又提出了”子网“概念，即将原先的IP两级结构（网络号+主机号）的主机号中继续分隔出（子网号+主机号），这样在网络外部还是使用统一的ABC类网络，内部则是一个分类网络的进一步细分，这种细分只有在网络出口的路由器知道，外界仍然看作一个整体的网络。为了便于快速计算一个IP的子网地址，又引入了子网掩码的概念，子网掩码与IP逻辑按位与得到相应的网络地址。
   

2.划分步骤

子网掩码:

要求:

• 路由器上的每个接口都必须有唯一的网络 ID
• 使用一个或多个主机位作为子网络位创建子网
• 子网数量 = 2^n (n = 借用的位数)4.主机数量 = 2^n - 2 (n = 剩余的主机位数)
  

定义:

把整个因特网看成一个单一的抽象的网络.IP地址就是给每个连接在因特网上的主机(或路由器)分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符它由网络号net-id和主机号host-id组成

特别注意:

实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口
当一个主机同时连接到两个网络上时,该主机就必须同时具有两个相应的IP地址,其网络号net-id 必须是不同的.这种主机称为多归属主机(multihomed host)
IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明”下一跳路由器的 IP 地址”.当路由器收到待转发的数据报,不是将下一跳路由器的IP地址填入IP数据报,而是送交下层的网络接口软件.网络接口软件使用ARP负责将下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址,并将此硬件地址放在链路层的MAC帧的首部,然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器

两级划分

1. 形式:
   IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}
2. 缺点:
   IP 地址空间的利用率有时很低
   两级的 IP 地址不够灵活
3. 优点:
   IP 地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号,而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配.这样就方便了IP地址的管理
   路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号),大幅度减少路由表中的项目数

三级划分

1. 形式:
   IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

2. 原理:
   划分子网是单位内部的事情.单位对外仍然表现为没有划分子网的网络.从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id而主机号host-id也就相应减少了若干个位,采用与子网掩AND运算得到网络地址

3. 三级划分数据交换过程:

   • 接受数据:
     从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报,仍然是根据IP数据报的目的网络号net-id,找到连接在本单位网络上的路由器
     此路由器在收到IP数据报后,再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网
     最后就将 IP 数据报直接交付目的主机
   • 发送数据:
     将数据先发送到网关
     网关再把数据发送出去
   • 注意:
     当没有划分子网时,IP地址是两级结构.划分子网后IP地址就变成了三级结构
     划分子网只是把IP地址的主机号host-id这部分进行再划分,而不改变IP地址原来的网络号net-id

3.关于子网掩码的计算

例如：255.255.248.0这个子网掩码可以最多容纳多少台电脑？

计算方法

把将其转换为二进制的四段数字（每段要是8位，如果是0，可以写成8个0，也就是00000000）
11111111.1111111.11111000.00000000
然后，数数后面有几颗0，一共是有11颗，那就是2的11次方，等于2048 (注意：主机号中全0是保留地址，全1是广播地址，所以它们不算可用主号地址。网络号也是一样的。子网号是可以用全0和全1的)，所以这个子网掩码最多可以容纳2048-2=2046台电脑。
一个子网最多可以容纳多少台电脑你会算了吧，下面我们来个逆向算法的题。
一个公司有530台电脑，组成一个对等局域网，子网掩码设多少最合适？
首先，无疑，530台电脑用B类IP最合适（A类不用说了，太多，C类又不够，肯定是B类），但是B类默认的子网掩码是255.255.0.0，可以容纳6万台电脑，显然不太合适，那子网掩码设多少合适呢？我们先来列个公式。

公式

2的m次方>=560
首先，我们确定2的m次方一定是大于2的8次方的，因为我们知道2的8次方是256，也就是C类IP的最大容纳电脑的数目，我们从9次方一个一个试，2的9次方是 512，不到560，2的10次方是1024，看来2的10次方最合适了。子网掩码一共由32位组成，已确定后面10位是0了，那前面的22位就是1，最合适的子网掩码就是：11111111.11111111.11111100.00000000，转换成10进制，那就是255.255.252.0。
分配和计算子网掩码你会了吧，下面，我们来看看IP地址的网段。
相信好多人都和我一样，认为IP只要前三段相同，就是在同一网段了，其实，不是这样的，同样，我也把IP的每一段转换为一个二进制数，这里就拿IP：192.168.0.1，子网掩码：255.255.255.0做实验吧。
192.168.0.1
11000000.10101000.00000000.00000001
（这里说明一下，和子网掩码一样，每段8位，不足8位的，前面加0补齐。）
IP　11000000.10101000.00000000.00000001
子网掩码　11111111.11111111.11111111.00000000

同一网段

在这里，向大家说一下到底怎么样才算同一网段。
要想在同一网段，必需做到网络标识相同，那网络标识怎么算呢？各类IP的网络标识算法都是不一样的。A类的，只算第一段。B类，只算第一、二段。C类，算第一、二、三段。
算法只要把IP和子网掩码的每位数AND就可以了。
AND方法：0和1=0　0和0=0　1和1=1
如：And　192.168.0.1，255.255.255.0，先转换为二进制，然后AND每一位
IP　11000000.10101000.00000000.00000001
子网掩码　11111111.11111111.11111111.00000000
得出AND结果　11000000.10101000.00000000.00000000
转换为十进制192.168.0.0，这就是网络标识，
再将子网掩码反取，也就是00000000.00000000.00000000.11111111，与IP　AND
得出结果00000000.00000000.00000000.00000001，转换为10进制，即0.0.0.1，
这0.0.0.1就是主机标识。要想在同一网段，必需做到网络标识一样。
我们再来看看这个改为默认子网掩码的B类IP
如IP：188.188.0.111，188.188.5.222，子网掩码都设为255.255.254.0，在同一网段吗？
先将这些转换成二进制
188.188.0.111　10111100.10111100.00000000.01101111
188.188.5.222　10111100.10111100.00000101.11011110
255.255.254.0　11111111.11111111.11111110.00000000
分别AND，得
10111100.10111100.00000000.00000000
10111100.10111100.00000100.00000000
网络标识不一样（看255.255.254.0转换成二进制后1的数位，所以可以看到不一样），即不在同一网段。
判断是不是在同一网段，你会了吧，下面，我们来点实际的。
一个公司有530台电脑，组成一个对等局域网，子网掩码和IP设多少最合适？
子网掩码不说了，前面算出结果来了11111111.11111111.11111100.00000000，也就是255.255.252.0，现在需要算IP。

B类地址

选一个B类IP段，这里就选188.188.x.x吧
这样，IP的前两段确定的，关键是要确定第三段，只要网络标识相同就可以了。我们先来确定网络号。（我们把子网掩码中的1和IP中的?对就起来，0和^对应起来，如下：
255.255.252.0　11111111.11111111.11111100.00000000
188.188.x.x　10111100.10111100.??????^^.^^^^^^^^
网络标识　10111100.10111100.??????00.00000000
由此可知，?处随便填（只能用0和1填，不一定全是0和1），我们就用全填0吧，^处随便，这样呢，我们的IP就是
10111100.10111100.000000^^.^^^^^^^^
，一共有530台电脑，IP的最后一段1～254可以分给254台计算机， 530/254=2.086，采用进1法，得整数3，这样，我们确定了IP的第三段要分成三个不同的数字，也就是说，把000000^^中的^^填三次数字，只能填1和0，而且每次的数字都不一样，至于填什么，就随我们便了，如00000001，00000010，00000011，转换成十进制，分别是 1，2，3，这样，第三段也确定了，这样，就可以把IP分成188.188.1.y，188.188.2.y，188.188.3.y（也相当于三个子网），y处随便填，只要在1～254范围之内，并且这530台电脑每台和每台的IP不一样，就可以了。
有人也许会说，既然算法这么麻烦，干脆用A类IP和A类默认子网掩码得了，但告诉你的是，由于A类IP和A类默认子网掩码的主机数目过大，这样做无疑是大海捞针，如果同时局域网访问量过频繁、过大，会影响效率的，所以，最好设置符合自己的IP和子网掩码。

二.IP数据包

一个IP数据包由首部和数据两部分组成。

• 首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。
• 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

如下：固定部分中，一排是4个字节，那么5*4=20字节。

• 版本:
  占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4（即IPv4）。关于IPv6，目前还处于草案阶段。
• 首部长度:
  占4位,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为 4 字节)因此IP 的首部长度的最大值是 60 字节(首部长度确定之后，首部的可选字段的长度就确定了)。
• 区分服务:
  占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过.1998 年这个字段改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下都不使用这个字段。
• 总长度:
  占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU，数据链路层传输数据1500 字节 (最大传输单元 MTU)，所以数据包如果不分片，数据包数据最大不超过1480字节(去掉首部20字节)。
• 标识:
  占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。
• 标志(flag):
  占3位,目前只有前两位有意义
  MF
  标志字段的最低位是 MF (More Fragment)
  MF=1 表示后面“还有分片”。MF=0 表示最后一个分片
  DF
  标志字段中间的一位是 DF (Don’t Fragment)
  只有当 DF=0 时才允许分片
• 片偏移:
  占13位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位(保证组装顺序: 通过片偏移来保证，片偏移为0的数据为数据首部，而下一次偏移量等于当前片偏移+总长度。 组装的时候也是通过片偏移进行组装的。)
  
• 生存时间:
  占8位，生存时间字段常用的的英文缩写是TTL(Time To Live)，表明是数据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点设置这个字段。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在因特网中兜圈子，因而白白消耗网络资源。最初的设计是以秒作为TTL的单位。每经过一个路由器时，就把TTL减去数据报在路由器消耗掉的一段时间。若数据报在路由器消耗的时间小于1秒，就把TTL值减1。当TTL值为0时，就丢弃这个数据报。后来把TTL字段的功能改为“跳数限制”（但名称不变）。路由器在转发数据报之前就把TTL值减1.若TTL值减少到零，就丢弃这个数据报，不再转发。因此，现在TTL的单位不再是秒，而是跳数。TTL的意义是指明数据报在网络中至多可经过多少个路由器。显然，数据报在网络上经过的路由器的最大数值是255.若把TTL的初始值设为1，就表示这个数据报只能在本局域网中传送。

• 协议:
  占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程,1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议。
  

• 首部检验和　
  占16位。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和（一些字段，如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化）。不检验数据部分可减少计算的工作量。
  

• 源地址和目的地址:
  都各占 4 字节,分别记录源地址和目的地址
• 可变部分
  IP首部的可变部分就是一个可选字段。选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。此字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。某些选项项目只需要1个字节，它只包括1个字节的选项代码。但还有些选项需要多个字节，这些选项一个个拼接起来，中间不需要有分隔符，最后用全0的填充字段补齐成为4字节的整数倍。

三. IP层中路由的基本知识

1.默认网关

       网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机（如附图所示）。网络A向网络B转发数据包的过程。
       所以说，只有设置好网关的IP地址，TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。那么这个IP地址是哪台机器的IP地址呢？网关的IP地址是具有路由功能的设备的IP地址，具有路由功能的设备有路由器、启用了路由协议的服务器（实质上相当于一台路由器）、代理服务器（也相当于一台路由器）。在和 Novell NetWare 网络交互操作的上下文中，网关在 Windows 网络中使用的服务器信息块 (SMB) 协议以及NetWare网络使用的 NetWare 核心协议 (NCP) 之间起着桥梁的作用。网关也被称为 IP路由器。

举例说明

       假设你的名字叫小不点(很小)，你住在一个大院子里，你的邻居有很多小伙伴，父母是你的网关。当你想跟院子里的某个小伙伴玩，只要你在院子里大喊一声他的名字，他听到了就会回应你，并且跑出来跟你玩。
       但是你家长不允许你走出大门，你想与外界发生的一切联系，都必须由父母（网关）用电话帮助你联系。假如你想找你的同学小明聊天，小明家住在很远的另外一个院子里，他家里也有父母（小明的网关）。但是你不知道小明家的电话号码，不过你的班主任老师有一份你们班全体同学的名单和电话号码对照表，你的老师就是你的DNS服务器。于是你在家里和父母有了下面的对话：
1.小不点：妈妈(或爸爸),我想找班主任查一下小明的电话号码行吗？
2.家长：好，你等着。（接着你家长给你的班主任挂了一个电话，问清楚了小明的电话）问到了，他家的号码是211.99.99.99
3.小不点：太好了！妈(或爸),我想找小明，你再帮我联系一下小明吧。
4.家长：没问题。（接着家长向电话局发出了请求接通小明家电话的请求，最后一关当然是被转接到了小明家家长那里，然后他家长把电话给转到小明）.
就这样你和小明取得了联系。

2.路由

1. 网络地址和主机地址共同组成了IP地址（IP地址&地址掩码=网络地址，ip地址-网络地址=主机地址）；
2. 对于接收到的IP包，IP层首先判断自身是否目的地址或者该包是否广播包，如果是的话，则交给指定的协议模块进行处理，如果否定的话，若开启路由模式则根据路由表对IP包进行转发，否则抛弃这个IP包；
3. IP路由表选择策略：
   （1）先搜索和目的IP地址完全匹配的表目，并将数据包发给下一站的路由器或直连的网络接口；
   （2）再搜索和目的网络地址完全匹配的表目，并将数据包发给下一站的路由器或直连的网络接口；
   （3）上述两种都不成功时，则找默认表目进行处理；
4. 三级划分路由器转发分组的算法: