网络协议 -- 基础概念

一、TCP/IP协议栈

二、IP地址、子网掩码、网关

2.1 IP地址及分类

IP地址相当于互联网上的门牌号, 计算机在启动的时候可以从磁盘（无盘系统例外）上读取该主机的IP配置。IP地址由4个字节（也就是32位）的二进制码组成，包含了网络号( net-id )和主机号( host-id )。但现实中，我们经常还需要再继续划分“子网”，这时就需要借用主机号的一部分充任子网号，这样IP地址也就可以看成由标准网络号、子网号、主机号3部分组成的了，即IP地址=标准网络号+子网号+主机号。

网络号、子网号、主机号三者间的关系，形象的描述如下：假设你的住址IP是武汉市文治街16号，那么，
IP地址 = 武汉市文治街16号
网络号 = 武汉市
子网号 = 文治街
主机号 = 16号

IP地址种类	二进制组成(前缀位+网络位+主机位)	IP范围	网络数	主机数/网络
A类地址	0+7位网络号+24位主机号	1.0.0.0 - 127.255.255.255	$2^7-2$	$2^{24}-2$
B类地址	10+14位网络号+16位主机号	128.0.0.0 - 191.255.255.255	$2^{14}-1$	$2^{16}-2$
C类地址	110+21位网络号+8位主机号	192.0.0.0 - 223.255.255.255	$2^{21}-1$	$2^8-2$
D类地址	1110+多播地址(用于多播)	224.0.0.0 - 239.255.255.255	-	-
E类地址	1111+保留位(不开放, 保留使用)	240.0.0.0-249.255.255.255	-	-

从表中可以看出，A类IP的第1位（二进制位）必须是0，所以A类IP的第一个整数的范围是0000 0000 ~ 01111 11111，转换为十进制就是0 ~ 127，以此类推。

关于网络数的解释

网络数就是一种网络的子网数, 比如A类地址, 可以分为多少个子网。看表格可以推出网络数的计算公式为: $2^{网络号位数}$。
规定网络地址全为0的IP地址是保留地址，意思是“本网络”。

• 在A类地址中，实际上 0.0.0.0 是不指派的，而可以指派的最小网络是 1.0.0.0；网络地址为 127 的A类IP地址保留作为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信(比如常用的 127.0.0.1，但实际上网络地址为127的都可以用作本地环回地址)。所以A类地址网络数为 $2^7-2$。
• 在B类地址中，实际上 128.0.0.0 是不指派的，而可以指派的最小网络是 `128.1.0.0，所以B类地址网络数是 $2^{14}-1$。
• 在C类地址中，实际上 192.0.0.0 是不指派的，而可以指派的最小网络是 192.0.1.0，所以C类地址网络数是 $2^{21}-1$。

关于主机数的解释

主机数就是一个子网里面可以容纳多少台主机。看表格可以推出主机数的计算公式为: 2^主机号位数-2。主机号全为0表示该网络，而主机号全为1表示广播地址，所以要排除掉这两个。比如A类地址 1.0.0.0 表示主机所在的网段的网络地址, 1.255.255.255 为该网段的广播地址。

2.2 私有IP地址

经常可以看到192.168.1.101这类的IP地址, 这些是私有IP地址, 专用地址, 也就是局域网内使用的的IP地址。
公网IP地址是需要向有关部门申请备案的，私有IP地址不用申请, 但是仅限内网使用, 也节约公网IP。

IP地址种类	私有IP范围
A类地址	10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类地址	172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类地址	192.168.0.0 - 192.168.255.255

路由器看到专用地址就不转发，所以说专用地址作为目的地址是不可能在因特网上传送的。专用IP地址也可叫做可重用地址。那好，问题来了，如果配置了这些专用地址的主机想和因特网上的主机通信，怎么办呢？NAT(network address translation: 网络地址转换)在这种情况下就应运而生了。NAT就是将这种地址转换成有效的外部全球IP地址，使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网联通。

2.3 子网掩码

IP地址=标准网络号+子网号+主机号。从IP分类可以很容易确定“标准网络号”，32bit的IP地址除去前面的“标准网络号”之后，剩下的就是“子网号”和“主机号”，那么怎么确定“子网号”和“主机号”了？ 这就需要借助“子网掩码”了。子网掩码也是一个32bit(xxx.xxx.xxx.xxx)的值，其中值为1的bit留给“标准网络号”和“子网号”，为0的bit留给“主机号”。我们可以将子网掩码和IP地址进行二进制“与运算”，通过得到的结果来确定“子网号”。

以C类IP地址为例，对于规范的C类IP地址来说，规范子网掩码为255.255.255.0，即用32比特IP地址的前24比特标识网络号，后8比特标识主机号。因而，每个C类网络下共可容纳254台主机($2^8-2$)。 如今，我们先思索借用2比特的主机号来充任子网络号的情形。

C类网络地址210.31.233.0，我们借用2bit的主机号来充当子网号，子网的数目为$2^2-2$(子网号无法全为0或1，所以减2).

为了借用原来8位主机号中的前2位充任子网络号，采用了新的非规范子网掩255.255.255.192。
采用了新的子网掩码后，借用的2位子网号可以用来标识两个子网：01子网和10子网(子网号无法全为0或1，因而00、11子网无法用)。

对于上图的01子网来说，其网络号的点分十进制的方式为：210.31.233.64，该子网的最小IP地址为：210.31.233.65，最大IP地址为：210.31.233.126（主机号全为1位广播地址），共可容纳62台主机。对该子网的直接广播地址为：210.31.233.127（主机号全为1）。

经常见到像192.168.1.0/24这样的写法，它的意思是网络号为192.168.1.0；子网掩码为24位，即111111111 111111111 111111111 00000000，转为点分十进制就为255.255.255.0，没有借用主机号来充当子网号，可以拥有的主机数为$2^8$-2.

2.3 网关的作用

你的住址IP是武汉市洪山区文治街16号，你的父母只允许你和文治街的小朋友（同一个子网）一起玩耍，如果你想要去和别的街道（别的子网）的小朋友玩耍，你就需要经过你的父母的同意，由你的父母带你过去，这时候你的父母就充当了网关的角色，没有你的父母，你就不能和其他街道（其他子网）的小朋友玩耍。

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三、包的封装(encapsulation)与解封装(Demultiplexing)

当应用程序使用网络传送数据时，数据按照协议栈从上到下的顺序，逐次通过每一层。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还增加尾部信息）。最终生成一串比特流通过以太网来传输，我们称这串比特流叫帧。
如图：

当数据报到达链路层时，链路层也要对IP数据包封装进行包装。链路层也要对IP数据包封装的方式主要有以太网IP数据包封装（RFC894）、IEEE 802 IP数据报封装（RFC1042）两种，最常使用的封装格式是以太网IP数据包封装（RFC894）。下图显示了这两种不同形式的封装格式：

从图中可以看到以太网封装限制了数据帧的最大长度为1500字节，这个限制叫做MTU，最大传输单元（详见第四节）。

接收端收到帧之后，按照和上面相反的顺序（协议栈从下到上）来解包，依次解析每一层加入的头部（或尾部），最终将原始数据传给最上层应用程序。
如图：

因为传输层的TCP、UDP、ICMP等都有可能向网络层IP协议传送数据，这样在IP协议层解包的时候，需要知道这个包对应的上层协议是哪一个，因此IP协议必须在生成的IP首部加入某种标识，以表明数据的上一层的具体协议。为此，IP在首部中存入了一个长度为8bit的数值，称作协议域。常见的IP协议号有：
1表示ICMP协议，2表示IGMP协议，6表示TCP协议，17表示UDP协议。

完整的IP协议号见：IP协议号列表

四、MTU

前面第三节提到了以太网封装限制了数据帧的长度为1500字节，这个限制是在链路层封装IP数据报时作的。如果IP层的数据报比链路层的这个MTU值大，那么IP层就需要分片（英文：fragmentation），把数据报分成若干片，保证每一片的大小都小于MTU值。

windows系统修改MTU值

• 查询当前MTU值

netsh interface ipv4 show subinterfaces

• 修改MTU值

netsh interface ipv4 set subinterface "本地连接" mtu=1480 store=persistent

文章参考：
https://m.vipcn.com/a/360973/
https://ahaochan.github.io/posts/IP_address,_subnet_mask,_gateway_Introduction.html
https://www.zhihu.com/question/20717354

《TCP/IP详解 卷1：协议》在线阅读地址：http://www.52im.net/topic-tcpipvol1.html