IP协议的简介以及IP首部信息

介绍了IP协议的概念和IP首部的内容，以及相关知识点，ICMP、ARP、port、DNS。

前面我们简单的介绍了TCP和UDP协议以及TCP的三次握手和四次挥手，接着我们简单的学习IP协议以及相关知识点，下面的内容都非常简单。

IP（Internet Protocol）协议位于网络层。主要功能是提供IP地址，将源IP地址和目的IP地址封装到数据包的IP首部中，为路由器指明一条数据传输的方向和路线，但它只指明发送者和接受者地址，并不维护任何关于后续数据报的状态信息，不保证数据包一定能到达，以及数据是否会被丢弃以及丢弃之后如何处理。

因此IP协议也是一个无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务，此时就需要上层的TCP协议来保证可靠性。

1 IP和MAC

要保证确实传送到对方那里，则需要满足各类条件。其中两个重要的条件是 IP 地址和 MAC地址（Media Access Control Address）。

1.1 IP

IP 地址指明了节点被分配到的地址，是网络层及其以上层使用的地址。

IP 地址分为公有（广域网）IP和私有（局域网）IP。公有IP是服务商分配的，公有IP全球唯一，私有IP则在同一个网络下唯一，不同的网络下不一定唯一，并且都可能改变，我们连接互联网使用的IP都是公有IP。

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

计算机只能识别二进制的数据，所以我们的IP地址应该是一个二进制的数据。但是呢，我们配置的IP地址确不是二进制的，为什么呢?比如：

十进制IP： 192.168.1.100
换算成二进制：11000000 10101000 00000001 01100100

实际上它确实会将十进制地址转换成二进制数据，但是假如真是使用：11000000 10101000 00000001 01100100来显示的话。以后与别人建立连接都要配置这样的IP地址，记忆起来就比较的麻烦。

所以，为了方便表示和人类记忆IP地址，我们就把IP地址的每一个字节上的数据换算成十进制，然后用.分开来表示：“点分十进制”。这就是IP地址显示为十进制的原因。

Windows查看本机IP可以使用ipconfig命令。

1.2 MAC

MAC地址是指网卡所属的固定物理地址，数据链路层和物理层使用的地址。

IP 地址可以和 MAC 地址进行配对。MAC地址是全球唯一，它是网络设备制造商分配的，用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个16进制数，如：00-16-EA-AE-3C-40就是一个MAC地址，其中前3个字节，16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配，而后3个字节，16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。只要不更改自己的MAC地址，MAC地址在世界是唯一的。

2 IP首部

普通IP首部长为20个字节，最长60字节，除非含有选项字段，结构如下：

1. 4位版本号（Version）： 指定IP协议的版本号。因为目前仍主要使用IPV4版本，用于标识IP协议版本，IPv4是0100，IPv6是0110，也就是二进制的4和6。
2. 4位首部长度（Internet Header Length）： 用于标识首部的长度，单位为4字节（32bit），所以首部长度最大值为60字节，但一般只使用20字节的固定长度。
3. 8位服务类型（Type Of Service）： 简称TOS，定义IP封包在传送过程中要求的服务类型。包括一个3bit的优先权子字段，4bit的TOS子字段，1bit未用位但必须置0。4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用，4bit中同时只能置其中1bit为1,。如果所有4bit均为0，那就意味着是一般服务。
4. 16位总长度（Total Length）： 标识IP数据报包的总长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit，所以IP数据包最长可达2^16 -1 = 65535字节，当数据包被分片时，该字段的值也随着变化。
5. 16位标识（Identification）： 用于标识IP数据报的唯一码，如果因为数据链路层帧数据段长度限制（也就是MTU，支持的最大传输单元为1500字节），一个过长的IP数据包需要被拆散进行分片发送，拆分出的每个分片的IP数据包标识都是一致的，当分片要进行重组的时候就是依据了这个标识。
6. 3位标识（Flag）： 目前只有两种，即只有后2位有意义；最低位为MF（More Fragment），为1代表后面还有分片的数据包，MF=0代表当前数据包已是最后的数据包。第二位为DF（Don’t Fragment），DF=1代表不能分片，此时若这个包长度大于路由器的长度限制，则直接丢弃了，DF=0代表可以分片。
7. 13位片偏移（Fragment Offset）： 代表某个分片在原始IP数据包中的相对位置。通过这个偏移量和16位标识将多个分片数据包进行还原成原IP数据包。
8. 8位生存时间（Time To Live）： 简称TTL，表示数据包可以经过的最多路由器数。包在传输中每经过一个路由器TTL便减一，若TTL为0，则丢弃，一般不会经过255这么多，除非有循环路由。
9. 8位协议（Protocol）： 代表上层的传输协议类型，一般常见的1代表ICMP，6代表TCP，17代表UDP。
10. 16位首部校验和（Header Checksum）： 用于验证数据完整性，用以确保封包（分片）被正确无误的接收到，与UDP和TCP协议包头中的校验和作用是一样的。首先通过校验算法填入16位的值，当目标机器收到后重新进行校验算法并进行比对，若相同代表没有出现问题。
11. 16位源IP地址与16为目标IP地址。

2.1 相关问题

1. 为什么IP不是可靠连接的协议？
   1. IP层没有连接握手协议，没有超时和重传机制。IP协议只是为路由器指明一条数据传输的方向和路线，但它只指明发送者和接受者地址，并不维护任何关于后续数据报的状态信息，不保证数据包一定能到达，以及数据是否会被丢弃以及丢弃之后如何处理。
2. IP数据报经过路由器都做了哪些改动？
   1. IP每经过一个路由器，TTL数就会减一，如果最后TTL为0了，但是依然没有到达目的地，这个IP包将会被丢弃。
   2. 这样做了目的是为了防止出现循环回路。并且最后一跳的路由器会发送一个ICMP不可达的数据包给源IP。
3. IP包分片
   1. IP数据包的长度为16，也就是说最大为65535个字节。但是据链路层规定MTU（Maxitum Transmission）最大传输单元为1500个字节。
   2. 当IP数据包的大小超过了1500，IP数据包必须要进行分片处理。这还只是初始发送端的分片，在网络中如果某个路由器的MTU小于1500，那么还需要在路由器端做分片，这就给IP包的完整接收照成了很大的不确定性（我们知道数据包达到终点不一定是按照顺序的），因为万一某一个分片丢失，可能会造成IP重传，当然前提是高层协议支持重传（比如TCP支持重传，UDP不支持）。
   3. 对于TCP协议，不存在分片的问题，因为TCP报头的选项字段有MSS（Maximum Segment Size，最大报文段大小）字段，规定一个TCP包最大可传输的字节数，一般是1500-20-20=1460字节。也就是说到达IP封包的时候最大可承载数据只有1460个字节，这样就可以避免分片的问题。但是对于UDP这一类的协议，分片操作还是交给IP完成，虽然这样可以增加载荷的效率，但是稳定性会受到很大的影响。

3 ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol）协议，即Internet控制报文协议，是IP协议的附属协议，同属于网络层。它主要用于直接在两个IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用，因为它可以在用户传输真正的消息之前校验是否满足传输条件！

常用的ping命令，用于测试本机与指定的ip地址网络层的连通性，实际上就是使用的ICMP协议。

4 ARP协议

通过TCP/IP协议分层7层模型以及数据的封装和分用讲的分层信息传输我们知道，网络层依赖于链路层，IP数据报必须封装成帧，而数据帧的首部必须要封装有目的MAC地址，这样才会将数据发送到指定MAC地址的主机中，因为链路层的数据传输是不认识IP地址，它只认识MAC地址，所以两个有IP的设备要进行通信还要依赖于底层的MAC地址，因此仅仅知道对方IP地址是不能实现信息传输的，IP间的通信依赖下层的MAC地址。

此时就用到了ARP协议（AddressResolution Protocol），即地址解析协议，ARP协议根据目标设备的IP地址就可以找到目标设备的MAC地址，是连接网络层和链路层的重要协议。通常ARP缓存了同一个局域网的IP和MAC地址的对应关系，但是，如果通信双方不在同一个局域网类，则无法直接通过对方的IP地址查找到MAC地址，此时ARP会查找并返回网关（通常是路由器）的MAC，那么数据实际上会被转发到网关，后续在网关中再次通过ARP查找，找不到就继续转发到其他网关，最终会找到对应IP地址的MAC，将数据传递到指定的目的地！

如下是不同局域网的的通信案例：

A—–(B1-B2)—–(C1-C2)——-E

B1和B2是网关（路由器）B上的两个接口，C1和C2是路由器C上的两个接口，A和E是PC，由主机A向主机E发送数据包，那么在主机A形成的数据包的目的IP就是E的IP，源IP就是主机A的IP地址，目标MAC地址就是B1的MAC地址，源MAC地址就是A的MAC地址。

由A发给路由器B，路由器B检查MAC是自己，但是目标IP不是自己的IP，那么说明这个消息的真正目的不是自己，而是需要自己转发，那么B经过重封装后，源IP和目标IP是不变的，源MAC地址变成B2的MAC地址，目标MAC地址变成C1的MAC地址，封装完成发送给路由器C，路由器C接收到数据包后和B做的操作是一样的，源IP和目标IP的不变的，源MAC地址变成C2的MAC地址，目标MAC地址变成主机E的MAC地址，然后发送给主机E，主机E校验IP发现目标就是自己，这样E就收到了这个数据包，可以解析 数据，当回复数据包的时候就是把收到的数据包的源IP地址（主机A的IP地址）和源MAC地址（接口C2的MAC地址）作为他的目标IP和目标MAC地址。

实际的ARP查询更加复杂！

5 port 端口号

端口有物理端口，比如网卡口，也有逻辑端口，我们指的就是逻辑端口。

我们如果仅仅知道MAC和Ip地址，那么只能保证把数据传输到指定的主机中，但是主机中有很多应用程序，怎么知道这是属于哪个应用程序的数据呢？这就需要端口来支持了，数据要想发送到对方主机指定的应用程序上，只有先标识这些应用程序，所以给这些网络应用程序都用数字进行标识，这些数字就叫做端口号，用来表示该主机中的一个应用程序。简单的说，端口号能够唯一的确定某台计算机当中的某个应用程序，因此端口号在一台主机中是唯一的，不能冲突，如果我们直接启动两台tomcat而不修改端口号的话，就会报端口冲突异常！

常用应用程序的默认端口号：

tomcat	8080
Mysql	3306
Oracle	1521
SMTP（简单邮件传输协议）	25
POP3（邮局协议）	110
FTP（文件传输协议）	21
HTTP（超文本传输协议）	80

端口号的范围是[0- 65535]，一共65536个数字。建议0-1024范围的端口不要使用，这都是系统进程预留的端口号。如果使用这些端口号，可能造成端口冲突，会造成某些功能不能使用。

6 DNS 服务

DNS（Domain Name System）服务是和 HTTP 协议一样位于应用层的协议。它提供域名（domain name）到 IP 地址之间的解析服务。

计算机既可以被赋予IP地址，也可以被赋予主机名和域名，用户通常使用主机名或域名来访问对方的计算机，而不是直接通过 IP地址访问。因为与 IP 地址的一组纯数字相比，用字母配合数字的表示形式来指定计算机名更符合人类的记忆习惯。没有它，你想上百度就要记住百度的IP，上163就要记住163的IP，有了DNS的处理，你只需要记住对应网站的域名–也就是网址就可以了。

但是计算机却不擅长处理名称，而是擅长处理一长串数字。为了解决上述的问题，于是DNS服务应运而生。DNS协议提供通过域名查找IP地址，或逆向从IP地址反查域名的服务。

设置我们的windows电脑的DNS路径解析，可以找到C:\WINDOWS\system32\drivers\etc\hosts文件，添加如下内容：

127.0.0.1 localhost
127.0.0.1 www.baidu.com
127.0.0.1 news.baidu.com

即可实现，域名和IP地址的映射！

7 其他知识

7.1 子网掩码

子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。

子网掩码——屏蔽一个IP地址的网络号部分的“全1”比特模式。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。

7.2 默认网关

网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址，要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。TCP/IP协议里的网关是最常用的。

默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关，由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关，默认网关是子网与外网连接的设备，通常是一个路由器。

一台电脑的默认网关是不可以随随便便指定的，必须正确地指定，否则一台电脑就会将数据包发给不是网关的电脑，从而无法与其他网络的电脑通信。

默认网关的设定有手动设置和自动设置两种方式。

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