TCP/IP网络原理 【IP篇】

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—承接上篇博文

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四，网络层

网络层最重要协议就是IP协议，IP协议的作用：地址管理与路由选择

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4.1 地址管理

首先，认识一下IP数据包的报文格式：

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【各个部分介绍：】

4位版本号：
这个值只存在两种情况，4或者6，对应的就是IPv4和IPv6

4位首部长度:
这个4位首部长度和TCP一样，单位是字节，也就是表示的是有多少个4字节。

8位服务类型：
8位中实际只有4位有效，这四位中同时只能有一位为1，表示四种不同的工作模式。分别是最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本

16位总长度：字节数
这里的总长度说的是一个IP数据报的总长度。对于IP数据报来说，我们知道它的总长度，知道它的报头长度，所以说可以求出其载荷部分的长度。
这个载荷其实就是TCP数据报的长度，TCP自身是没有总长度这一项的。

16位标识，3位标志位，13位片偏移

这几个属性主要是服务于IP协议的分包，组包机制。因为当一个数据报如果比较大，一个IP数据报放不下就会进行分包。
IP数据报分包的过程就相当于是分装货物的过程，一批货物找了多辆卡车来装，这些卡车的标识都是一样的，但是装了先走的车片偏移就小，后面的车片偏移就大。

8位生存时间(单位TTL)：
网络上的数据传输，并不是所有的数据都能到底目的主机，比如你的目的IP地址写错了，那么无论中间你怎么转发都是不可能到达的。所以生存时间就对一个数据包的转发次数做出了限制，超过多少次转发次数之后就会直接将数据报丢弃，默认是到达不了的数据。

TTL是一个整数，代表转发次数，一般是32/64/128之类的数字，数据报每经过一个路由器转发，TTL就会减少1，直至TTL减为0的时候，数据报就会被丢弃，一般情况下，在较少的转发次数下数据是可以到达世界上的任何地方的。

8位协议：
指的是IP数据报的载荷部分使用的传输层协议是什么，因为当数据报到达接收方进行分用的时候，需要这一项来告诉传输层使用什么协议来进行解析。

32位源IP地址，32位目的IP地址：
表示你的数据报是从哪个主机发送过来，又要到哪个主机去。

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4.2 路由选择

路由选择就是在两点之间规划处一条路线。这个过程是一个启发式的过程，类似与是问路。

在IP数据报里面，会有一个目的IP，当网络数据到达路由器的时候，路由器自身会有一个路由表的数据结构(里面记录着这个路由器所能认识的路，一个路由器肯定是无法认识到网络的全部的，但是相邻的一部分可以)，如果当前的目的IP这个路由器的路由表中有记录，也就是有明确的路线给出，如果路由器没有记录，也就是不认识，那就是继续转发给下一个路由器(路由器中会有一个默认的选项，下一跳)。这样的转发不是无限制，一般都可以到达，但是如果说是IP地址错误了，那么就会根据TTL的限制，在TTL减为0之后就不会再转发了。
并且对于路由而言，在转发数据的时候，它不仅仅是找一路，在有多个选择的情况下，它会选择一条最优的路。

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4.3 关于IP地址的补充

如何解决的IP地址不够用的问题？
我们都知道，IP地址是一个32位的整数，可以表示的IP地址也就42亿多，但是对于目前的互联网直接而言，IP地址早就不够用了，解决的办法有以下几个：
1，动态分配IP地址

设备上网的时候才会给它分配IP地址，当设备不再使用网络的时候就会回收IP地址。这种方法显然是治标不治本，并且回收，分配也比较麻烦。

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2，NAT模式

这是现在的主流机制。NAT模式下不再强制要求一个主机一个不一样的IP地址，而是将IP地址进行了划分：公网(外网)IP 和 私网(局域网/内网)IP 常见的内网IP 例如:10.x/172.16.~172.31.x/192.168.x
并且约定，在一个局域网的内部，IP地址不能重复，但是在不同的局域网之间，IP地址可以重复，另外，如果想要访问外网的设备，那么则会使用一个外网IP来代替这一个局域网的设备，这样就大大减少了外网IP的数量，减少了消耗。

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3，IPv6

采用IPv6是根本的解决方案，因为IPv6是16字节，128位来表示一个IP地址，也就是说IPv6所能表示的IP地址的数量是IPv4的2^96倍，目前肯定是完全够用了的。

现在IP地址的分配方式还是采取的NAT加上动态分配的方式，IPv6现在支持但是使用的更多的还是IPv4地址。
局域网内的设备之间可以相互通信，但是不同局域网之间的设备是不能够直接进行通信的，也就是跨局域网通信，如果想要直接跨局域网通信，需要使用特殊手段比如内网穿透和vlan虚拟局域网。

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五，数据链路层

认识以太网数据帧格式：

这里的目的地址指的是MAC地址而不是IP地址。类型有三种，分别对应IP，ARP，RARP，帧尾是CRC校验码。

认识MTU：
以太网数据帧的最长是1500个字节，这个限制就是MTU，不同的网络类型有不同的MTU。如果说物理层是公路，那么数据链路层就是公路上的卡车，在进行数据的运输。
在数据链路层里面，有很多的协议，不同协议的MTU不同，也即是卡车的载重量不同，以太网协议的载重量是比较小的，所以，在IP协议中会有分包机制，会将一个IP数据包分包，然后确保一辆卡车能够装得下，只不过是需要多辆卡车进行装货了。

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