IP 网际协议

1. 概述

IP 协议，网际协议，所有计算机网络都使用 IP 协议， 使得性能各异的网络在网络层上就像是一个统一的网络，在网络中传输数据包，上层协议使用TCP协议就是现在的互联网。

IP不提供可靠的传输服务，它不提供端到端的或（路由）结点到（路由）结点的确认，对数据没有差错控制，它只使用报头的校验码，它不提供重发和流量控制。如果出错可以通过ICMP报告，ICMP在IP模块中实现。

IP 由网络号 和 主机号 构成， 主机号在网络号表示的范围内必须唯一。以IPV4为例，如下图所示（该图出自《计算机网络第七版》，谢希仁老师编著，下同）。单位请求的IP地址指的是网络号，主机号有单位自己分配，但需要保证主机号唯一。

分为网络号和主机号的两级结构的好处，减少路由表中数据的存储，路由器可以根据仅靠网络号来转发分组。

IP数据报和TCP报文、MAC帧的关系，如下图所示：

2. 地址解析协议 ARP

地址解析协议 ARP。ARP协议只用在局域网中，它用来将IP地址解析为MAC地址（物理地址）。

局域网中的每个主机都有一个ARP缓存，它保存了最近发起的IP地址到MAC地址的映射记录，当该主机要向局域网中的某一主机发送数据时，它会先从自己的缓存中查找，看是否存在目标IP地址，如果找到了，就通过映射找到它的MAC地址，从而发送过去，如果没有找到该目的IP地址，它就向该局域网内发送一个广播，广播中包含自己的IP地址、MAC地址和目的主机的IP地址，局域网内的所有主机都会收到该广播，但只有目的IP地址的主机会做出回应，并把自己的MAC地址发送给源主机，源主机收到后，在自己的ARP缓存中增加上该映射，并根据发来的MAC地址将数据发送给目的主机。

ARP高速缓存中的表项一般都要设置超时值，如果一段时间内没有与某主机通信，就将该主机对应的IP与MAC之间的映射关系去掉，下次在需要通信时，依然发送广播。

如果ARP请求是从一个网络的主机到另一个网络的主机，那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求，这个过程成为ARP代理。

ARP协议 常与RARP协议（逆地址解析协议）配合使用，但现在已经被淘汰， DHCP协议中 包含 RARP 。

3. IP分片

以太网的MTU是1500。如果IP层有数据包要传，而且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进行分片（fragmentation）操作，使每一片的长度都小于或等于MTU。我们假设要传输一个UDP数据包，以太网的MTU为1500字节，一般IP首部为20字节，UDP首部为8字节，数据的净荷（payload）部分预留是1500-20-8=1472字节。如果数据部分大于1472字节，就会出现分片现象。

IP 数据包的格式如下所示：

4. 子网掩码

子网掩码的作用：主机号再分成一个子网号和主机号，便将一个网络又划分成了若干子网，子网掩码与该子网中的IP地址相与，便得到该子网，另外，子网对于子网内部的路由器是不透明的（对于本网络以外透明），也就是说IP数据报传到该网络的网关时，网关再将该数据报传送到子网的默认路由器上，最后通过该路由器再交付给该主机。

子网掩码的用途：减少路由表中数据的存储。

对于A类地址来说，默认的子网掩码是255.0.0.0；

对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0.0；

对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。

5. 路由器分组转发  

主机通过路由器和目的主机连接。主机通过IP数据报连接目的主机时，按照如下步骤搜索（同一网络中的搜索要经过ARP协议将目的主机的IP地址解析为MAC地址）：

搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机。

搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要子网掩码的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。

搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。

搜索路由表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包。

如果都失败了，报告转发分组失败。

参考文献：

• 计算机网络/谢希仁编著. ——7版 ——北京：电子工业出版社，2017.1

• https://blog.csdn.net/ns_code/article/details/29894111

• https://blog.csdn.net/ever_peng/article/details/80054212