计算机网络-IP协议

一、概念

IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。IP是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。

IP位于TCP/IP模型的网络层(相当于OSI模型的网络层)，它可以向传输层提供各种协议的信息，例如TCP、UDP等；对下可将IP信息包放到链路层，通过以太网、令牌环网络等各种技术来传送。

IP协议的版本有IPV4和IPV6，目前用的最广泛的还是IPV4，所以这篇主要介绍IPV4

二、IPV4报文格式

• 4位版本号(version)：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
• 4位头部长度(headerlength)：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
• 8位服务类型(Type OfService)：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。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(total length)：IP数据报整体占多少个字节。
• 16位标识(id)：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 一个片里面的这个id都是相同的。
• 3位标志字段：第一位保留（现在不用），第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过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，类似于一个结束标记。
• 13位分片偏移(framegament offset)：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处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 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（否则报文就不连续了）。
• 8位生存时间(Time To Live，TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -=1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出 现路由循环。 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位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
• 选项字段：不定长，最多40字节。

三、 IP地址

IP地址是32位的，给互联网上面的每一个主机分配一个地址，以十进制的形式表示，叫做点分十进制。

IP地址的形式：网络号+主机号

网络号：实现了互联网用户身份标识，用户识别主机所在的网络

主机号：用于识别同一网段内的不同主机

1. IP地址的分类

IP地址是一种分等级的地址结构，分为A、B、C、D、E五类。

• A类地址：第1个字节为网络地址，后3个字节为主机地址，并且第一个字节的第一位为0。可用网络数为2^7 - 2，减二的原因是：

网络地址全0，表示本网络

网络地址全1，表示环回测试地址。127.X.X.X

• B类地址：前两位总是10，第1、2个字节为网络地址，第3、4字节为主机地址。可用网络数为2^14-1，减一是因为128.0是不可指派的网络号。
• C类地址：前两位总是110，第1、2、3个字节为网络地址，第4个字节为主机地址。可用网络数为2^21-1，减一的原因是192.0是不可指派的网络号.
• D类地址：前两位总是1110，没有网络地址和主机地址之分
• E类地址：前两位总是11110

优点

路由器根据所连目的主机的网络号部分来进行分组转发，节省了路由表的空间。

缺点

地址空间无法最大限度的得到利用

2. 子网掩码

为了更大限度的使用地址，使用子网掩码。将一个网络划分为多个子网。此时，IP地址的形式变为：网络+子网号+主机号。

网络号和子网号唯一标识网络，使用子网掩码来确定哪些属于子网号和网络号，哪些属于主机号。子网掩码为1的表示网络号和子网号，为0的表示主机号。

子网地址： IP地址和子网掩码做AND运算

3. CIDR

3.1 概念

CIDR的全称是: Classless InterDomain Routing，无类域间路由，这可以更加精细的划分IP地址。

3.2 表示形式

IP地址={网络前缀，主机号}/网络前缀的长度

A.B.C.D/N

• A.B.C.D/N 就是点分十进制的形式
• N代表的就是前缀长度，表示网络号。
• 四部分组成的点分十进制地址，后跟一个斜扛，最后是范围在0到32之间的一个数字：A.B.C.D/N。

不需要告知路由器地址掩码，仅需要通过网络前缀所占的位数就可以得到地址掩码。

举个例子~~
192.25.14.7/20 = 11000000 00011001 0000 1110 00000111
可以得知：

• 子网掩码：
  255.255.240 = 11111111 11111111 1111 0000 00000000

• 最小地址(主机为全0)
  192.25.0.0 = 11000000 00011001 0000 0000 00000000

• 最大地址(主机位全1)
  192.25.15.555 = 11000000 00011001 0000 1111 11111111

3.3 CIDR聚合

也称路由聚合，就是将多个子网聚合到一起形成超网，方法是将前缀缩短。将多个子网的IP地址写成二进制的形式，所有IP地址网络地址相同的部分变为新的前缀。有效地减少了要对外显示的网络数，防止了’路由表爆炸’，也遏制了互联网进一步扩大。