IP协议

网络层协议——IP协议

TCP/IP：经过路径选择，将数据从A主机可靠的跨网络送到B主机
IP：提供一种能力通过路径选择，将数据从A主机跨网络传给B主机

关于主机和路由器

• 主机：配有IP地址，但是不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

4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说是4，对于IPv6来说就是6

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

8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段和一位保留字段（必须置为0），4位TOS表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本；这四者冲突的话，四选一；对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要

16位总长度：IP数据报整体占多少个字节

16位标识：唯一的标识主机发送的报文；如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的id都是相同的

3位标志字段：第一位（保留，即暂时不用）；第二位置为1表示禁止分片，这时如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文；第三位表示“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置为1，其他是0，类似一个结束标志

13分片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是在表示当前分片在原报文中的哪个位置，实际偏移的字节数就是就是这个值*8得到的，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（不然报文就不连续了）

8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由，TTL-=1，一直减到0，还没有到达的话，那么就丢弃；该字段主要是防止路由循环

8位协议：表示上层协议的类型

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IP地址和32位目标IP地址：表示发送端和接收端

选项字段不定长最长40字节

关于分片
过度的分片会使丢包率增加，（一般不建议分片）
经过路由器的时候可能会分片

IP不负责报文，TCP来控制分片，负责报文大小（流量控制），为了防止分片，TCP给IP的最大单元MSS<=1460
MTU-20-20=MSS（标准长度）
MTU在MAC帧中，全程Max Transport Unit（最大传输单元）
MSS在TCP中，表示最大段尺寸

网段划分

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
• 主机号：同一网段内，主机之间有相同的网络号，但是必须有不同的主机号
• 不同的子网实际就是将网络号相同的主机放在一起
• 如果在子网中增加一台主机，那么这台主机与同一子网其他主机网络号相同，但主机号不能重复

** 这样设置网络号和主机号就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同 **

这么多的主机，难道要手动分配嘛？？？？那多麻烦

• 使用DHCP来管理（即动态地址管理），能够自动给子网内新添加的主机节点分配IP地址，避免了手动分配的麻烦。一般的路由器都有DHCP的功能，所以一个路由器也可以看做是一个DHCP服务器。

IP地址分类：

A类地址：0.0.0.0~127.255.255.255
B类地址：128.0.0.0~191.255.255.255
C类地址：192.0.0.0~223.255.255.255
D类地址：224.0.0.0~239.255.255.255
E类地址：240.0.0.0~247.255.255.255

随着互联网的发展，这种划分方式逐渐变得有局限性，大多组织都申请B类地址，B类地址不够分配了，但A类地址却浪费着，比如一个B类地址；理论上一个子网可以存大约6万五千多个主机，但在实际的架构中，一个子网并不会有那么多的情况，因此就有大量的IP地址被浪费掉了。

针对这种情况，提出了新的划分方案，叫做CIDR（Classless Interdomain Rounting）

• 引入一个额外的子网掩码，来划分主机号和子号
• 子网掩码通常也是一个32位正整数，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

举个栗子：

IP地址和子网掩码做与运算可以的得到网络号，主机号从全0到全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，例如140.252.20.68/24，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0

特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机号全0就是网络号，代表当前局域网
• 将IP地址中的主机号全1，表示广播地址，用于同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
• 127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是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，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，每个主机都要有一个IP地址。
实际情况中，由于一些特殊的IP地址存在，数量远不止43亿，而且IP地址并不是完全按主机来分配的，而是每一个网卡都需要配置一个或者多个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地址的数量上限并没有改变）依旧不太够用

• 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
• NAT技术
• IPv6：IPv6并不是IPv4的升级版，这里两个是互不相关的两个协议 ，互不兼容；IPv6用16字节128位来表示一个IP地址；

公网IP地址和私有IP地址

如果组织内部组建局域网，IP地址只能用于局域网的通信，而不能直接连接到Internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址

• 10.*，前八位是网络号，共16,777,216个地址
• 172.16.到172.31.，前12位 是网络号，共1048576个地址
• 192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址

包含在这个范围内的都是私有IP，其他的称为公有IP或全局IP
私有IP不能出现在公网上

1. 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）
2. 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
3. 不同的路由器子网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IP地址就可以重复了
4. 每一个家用路由器，又作为运营商的路由器的子网的一个结点，这样运营商路由器就可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了
5. 子网内的主机要和外网通信时，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，最终数据包的中的IP地址成为一个公网IP，这种技术成为NAT技术（即网络地址转换）

路由

在复杂网路结构中，找出一条通往终点的路线

路由的过程就是一跳到下一跳的过程
所谓一跳就是，数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间

数据链路层实现实现一个区间（一跳）内的通信，而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点）

IP数据包传输的过程就像问路一样：

• 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的主机，还是需要发送给下一个路由器，依次反复，直到到达IP地址

但是路由器内部如何知道这个数据包是应该发给路由器还是应该发给目的主机呢？
这时就每个节点的路由表有关

• 如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可
• 路由表的最后一行，主要有下一跳和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中的其他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳的位置

使用route命令查看路由表

• 这个路由表中的有两个网络接口，一个是192.168.3.0/24，一个是192.168.122.0/24
• 路由表的Destination表示目的网络地址，Genmask是子网掩码，Getway是下一跳的地址，Iface是发送端口，Flags中的U表示此条目有效，G表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经过路由器转发