别再跟面试官说你不懂什么是 IP 协议了

ip 协议在网络中是一个十分重要的角色，属于 TCP 协议的 支撑协议，由于它是传输层以及数据链路的中间角色，使得它对高性能的要求更加强烈

一、ip协议在哪一层工作

(图片来源于极客时间)

  ip 协议工作在七层协议中的第三层（网络层）中，主要的功能是 ip寻址，选路，封装打包以及分片

  在这一层，我们亲切的将其传输单位称之为数据包，这是一个粒度算是最小的完整包体了，就像手机外壳那样，再拆就不是手机了，而是各类小零件（帧)

  在每一层数据块体的描述都是不同的，这是因为在在不同的环境下，数据都需要进行不同的修饰，例如 tcp 报文 主要是进程之间的通讯单位，为了适应这种通信，便加上了 TCP协议 的种种特性，而在网络层，主要是处理在不同主机之间的通信，所以通讯的单位反而是ip数据包，在硬件之间的通讯方式，却是数据链路层的数据帧，但是不管是什么，物质都是由粒子构成，而这些粒子在网络中就是光电信号，所以在物理层，就是网线之间传递的光电信号了。

所以，不管是七层协议还是五层协议，只要跟着数据了解其在每一层的流向以及大致样貌，就可以把这几层的联系打通

二、ip协议层包括哪些协议

   我们常常把 网络层 称之为 ip层，搞得大家以为 ip层就只有ip协议，跟很多人以为 tcpdump 只能抓取 tcp 报文一样，都是误区啊，其实在 ip 层，不单单只有 ip协议一个人，他还有很多小弟呢？

• IP协议
• ARP 协议
• RARP 协议
• ICMP 协议
• IGMP 协议

下面我简单介绍一下这些协议的作用，因为每个协议如果都细讲的话都可以独立成一篇文章，本文篇幅有限，只重点说说ip协议，其他协议不做过多的描述

2.1 IP 协议

  这个协议大家比较熟悉，主要的分类是 ipv4 和 ipv6 ,前面我们有说，在网络世界中，主机间的网络寻址都是基于ip地址的，局域网的通信则是基于网卡中的 mac 地址，其实这种说法并不是十分的严谨，因为从本质上来说，Mac 地址可以说是独一无二的，类似于我们的指纹，而ip地址更像是我们的身份证号码，首先我们无法组织一份巨大的用户-指纹数据库，注意一下，这里说的是一份，不是多份，因为这种存储方式十分的不好管理，主要是因为我们根据Mac地址无法推测出他的归属地址，只能简单推测出厂商，这样的话，我们就没办法知道这个 mac 地址是在哪个地方被使用的，ip 地址的诞生，更多为了是用户的管理，我们基于 ip 地址，就可以轻松推测出 这个 ip 地址所位于的位置，因为公网 ip 是独一无二的，如果需要上网，就必须至少拥有一个公网 ip (企业内网的出口公网ip 往往是固定的，而内网的 ip 则可以按需分配)，而这些 ip 会被基于地域进行分配，例如我把某个网段的 ip地址列表给了广州，那么你需要上网的时候我就分配给你，此时你的ip就会被监控了。所以，如果没有匿名代理，千万别乱来，真的可以顺着网线找到你家的。

2.2 ARP 协议

  既然实际上通信的底层标识是 mac 地址，那么就需要一种机制可以将ip地址对应的识别成 mac 地址，这就是 ARP 协议，利用一种广播的机制，在局域网中拿着大声公到处乱喊，谁知道这个ip地址的Mac地址是多少啊？听到的主机就会进行ip的匹配，如果发现是自己在用的ip地址，就会进行回应

2.3 RARP 协议

  和 ARP 协议相反，这是基于已经存在的 ARP 表中或者缓存上请求指定 Mac 地址的 ip地址的作用，栗子就是 无盘工作站

2.4 ICMP 协议

   这也是个十分重要的协议，简单而高效，主要是用于主机和路由器之间传递消息，属于 ip 协议的子协议 或者说是辅助协议，因为其报文结构简单，而且不传递数据，简单来说就是一个探头兵（让我想起了http报文的 option 请求)，我们常用的 ping 命令 和 tracert 实际使用的就是 ICMP 协议，可以用来测试连通性和选路追踪

2.5 IGMP 协议

  这个协议大家可能比较陌生，这个是组播协议，用于 ip 主机向任一个直接相邻的路由器报告组员情况，允许Internet主机参加多播，也是IP主机用作向相邻多目路由器报告多目组成员的协议。多目路由器是支持组播的路由器，向本地网络发送IGMP查询。主机通过发送IGMP报告来应答查询。组播路由器负责将组播包转发到所有网络中组播成员

(图片来源于极客时间)

三、ip数据包结构剖析

  在了解了 ip 协议的大致位置功能以及家族成员后，我们还需要继续剖析 ip 的协议的结构，进行深入了解，下面是数据包结构图;

数据包主要是分为两个部分，一个是 ip 首部，另一个是数据部分
我们现在主要说明一下每个字段的作用：

• 版本 ：

  • 1个字节的版本号，目前只有两个取值，ipv4 为 0100 ，ipv6为 0110，说明该 ip 包的版本

• 首部长度：

  • 1个字节大小，说明首部的大小，一般来说除了可选字段，固定的长度是 20 字节，该值为 0110 (5 * 4 =20 字节) ，可选字段部分长度不确定，但是最大值为 1111 即，(2³⁺²2+2¹⁺²0) * 4 = (8 + 4 + 2 + 1) * 4 = 15 * 4 = 60 字节，这里注意一下，单位是 4字节，根据算出来的值 去乘这个单位才是最后的结果，网络上有些文章把单位搞成了 8 字节，这点要注意一下

• 区分服务：

  • 8bit的服务器类型（TOS）字段，其中前3个bit表示优先权（现在已经忽略该字段），随后的4个bit表示服务类型，按顺序分别表示为最小时延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用四种。这个4个bit中最多只能有1个bit置位，如果全是0则表示一般服务。最有1个bit为未用位，必须置0

• 总长度：

  • 总长度就是这个数据包的长度（包括了首部), 2 个字节大小，16 个比特，单位是 字节， 最大长度为 2^16 -1 = 65535 字节，但是 以太网的 MTU 一般是 1500 字节，这是数据链路层的数据包大小限制，所以超过这个大小就得去分片，而 ip 分片成本很高，这是因为在 网络层没有 重发的概念，导致数据包丢失就得从头再来，除去了 20 ip固定头部，也就是说实际上数据部分也只有1480字节大小了，所以这个 65535 大小并没有多大暖用

• 生存时间

  • 即常说的 ttl ，我们可以简单理解为跳数，人的生命是有限的，数据包也不例外，跳的够多了，就该跑路了，一般来说这是值可能是64，也可能是128，当ttl 的值达到了这个值，路由器就会把它抛弃掉，免得它祸害人间，成为不死妖怪，最大的数值为 255

• 标识

  • 用来标识数据报，占 16 位。IP 协议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。当数据报的长度超过网络的 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。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。其实就分班之后，怎么知道哪些班是哪个年级的标志

• 标志

  • 占 3 位。第一位未使用，其值为 0。第二位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。标识和标志都是分片所需要使用的字段，对分片意义重大

• 片位移

  • 占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍

• 协议

  • 协议两个字节，占 8 位，表示这个数据包所使用的协议，不同的协议有着不同的协议号，字段指出此数据报所携带上层数据使用的TCP协议还是UDP协议，以便对等层接收到数据报交给上层相应的协议（TCP或者UDP协议）进行处理

• 首部校验和

  • 只校验数据报的首部，不包含数据部分；看IP数据报头部是否被破坏、被篡改和丢失等，这是验证数据包完整性的约束，避免黑客修改 ip 首部，类似于我们的签名算法，基于所传递的参数作为因子计算出 sign，如果中途参数被修改，那么sign 就会验证不通过

• 源地址

  • 源 ip 地址，发送机器本身的IP地址，32 位

• 目的地址

  • 目的ip地址，即目标地址，32 位

四、下文预告

  四元组的概念，大家估计听得也不少了，就是 源ip + 源端口 + 目的ip + 目的端口，这时你可能会问，上面怎么没有端口啊，你仔细想想，端口是用来干嘛的，是系统用来区分进程服务的啊，ip 数据包没必要存储这个啊，端口是传输层干的活，路由器之间的数据包传输，有 ip 就可以找到下一跳了

   网络层的知识，上面的内容还是杯水车薪，还有很多其他的概念，例如 ip 地址的分类、子网划分、 nat 技术、子网掩码的使用、路由器自学习和路由表、ipv6 、单播，多播，组播 等相关的概念，这些内容，我会在后续的文章逐渐补充

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