TCP/IP协议学习笔记(一)IP协议

IP相当与OSI模型中的第三层，网路层。
网络层的主要作用是“实现终端节点之间的通信”。

IP大致分为三大作用模块，它们是IP寻址、路由（最终节点为止的转发）以及IP分包与组包。

IP地址属于网络层地址

在计算机通信中，为了识别通信对端，必须要有一个类似于地址的识别码进行标识。
作为网络层的IP，也有这种地址信息。一般叫做IP地址。在TCP/IP通信中所有主机或路由器必须设定自己的IP地址（严格来说，要针对每块网卡至少配置一个或一个以上的IP地址）。

路由控制

路由控制（Routing）是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。一旦这个路由控制的运行出现异常，分组数据极有可能“迷失”，无法到达目标地址。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。

一跳的范围
一跳（1 Hop）是指利用数据链路层以下分层的功能传输数据帧的一个区间。
主机或路由器网卡不经其他路由器而能直接到达的相邻主机或路由器网卡之间的一个区间。在一跳的这个区间内，电缆可以通过网桥（2层交换机）相连，不会通过路由器或网关相连。

数据链路的抽象化

IP是实现多个数据链路之间通信的协议。数据链路根据种类的不同各有特点。对这些不同数据链路的相异特性进行抽象化也是IP的重要作用之一。

不同数据链路有个最大的区别，就是它们各自的最大传输单位（MTU：Maximum Transmission Unit）不同。就好像人们在邮寄包裹或行李时有各自的大小限制一样。MTU的值在以太网中是1500字节，在FDDI中是4352字节，而ATM则为9180字节。

为了解决这个问题，IP进行分片处理（IP Fragmentation）。顾名思义，所谓分片处理是指，将较大的IP包分成多个较小的IP包。

分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层。即从IP的上次层看，它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU，而只需要按照源地址发送的长度接收数据包。IP就是以这种方式抽象化了数据链路层，使得从上层更不容易看到底层网络构造的细节。

IP属于面向无连接型

IP面向无连接。即在发包之前，不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据，该数据会立即被压缩成IP包发送出去。

为什么IP要采用面向无连接呢？
一是为了简化，二是为了提速。面向连接比起面向无连接处理相对复杂。甚至管理每个连接本身就是一个相当繁琐的事情。此外，每次通信之前都要事先建立连接，又会降低处理速度。需要有连接时，可以委托上一层提供此项服务。因此，IP为了实现简单化与高速化用面向无连接的方式。

IP地址的定义

IP地址（IPv4地址）由32位正整数来表示。

TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。IP地址在计算机内部以二进制（二进制是指用0、1表示数字的方法。） 方式被处理。

然而，由于人类社会并不习惯于采用二进制方式，需要采用一种特殊的标记方式。那就是将32位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以“.”隔开，再将每组数转换为十进制数（这种方法也叫做“十进制点符号”（Dot-decimalnotation）。）

将表示成IP地址的数字整体计算，会得出如下数值。
2^32 = 4 294 967 296
从这个计算结果可知，最多可以允许43亿台计算机连接到网络。

IP地址由网络和主机两部分标识组成

IP地址由“网络标识（网络地址）”和“主机标识（主机地址）”两部分组成（192.168.128.10/24中的“/24”表示从第1位开始到多少位属于网络标识。

网络标识在数据链路的每个段配置不同的值。网络标识必须保证相互连接的每个段的地址不相重复。而相同段内相连的主机必须有相同的网络地址。IP地址的“主机标识”则不允许在同一个网段内重复出现。

IP地址的分类

IP地址分为四个级别，分别为A类、B类、C类、D类（还有一个一直未使用的E类。） 。它根据IP地址中从第1位到第4位的比特列对其网络标识和主机标识进行区分。

关于分配IP主机地址的注意事项
在分配IP地址时关于主机标识有一点需要注意。即要用比特位表示主机地址时，不可以全部为0或全部为1。因为全部为只有0在表示对应的网络地址或IP地址不可获知的情况下才用。而全部为1的主机地址通常作为广播地址。

子网掩码

一个IP地址只要确定了其分类，也就确定了它的网络标识和主机标识。例如A类地址前8位（除首位“0”还有7位）、B类地址前16位（除首位“10”还有14位）、C类地址前24位（除首位“110”还有21位）分别是它们各自的网络标识部分。
由此，按照每个分类所表示的网络标识的范围如下所示。
用“1”表示IP网络地址的比特范围，用“0”表示IP主机地址范围。将它们以十进制表示，如下所示。其中“1”的部分是网络地址部分，“0”的部分是主机地址部分。
一个IP地址的网络标识和主机标识已不再受限于该地址的类别，而是由一个叫做“子网掩码”的识别码通过子网网络地址细分出比A类、B类、C类更小粒度的网络。这种方式实际上就是将原来A类、B类、C类等分类中的主机地址部分用作子网地址，可以将原网络分为多个物理网络一种机制。

对于子网掩码，目前有两种表示方式。以172.20.100.52的前26位是网络地址的情况为例，以下是其中一种表示方法，它将IP地址与子网掩码的地址分别用两行来表示。

另一种表示方式如下所示。它在每个IP地址后面追加网络地址的位数（这种方式也叫“后缀”表示法。） 用“/”隔开。

计算网络地址时，进行位相与操作。

IPv4首部

通过IP进行通信时，需要在数据的前面加入IP首部信息。IP首部中包含着用于IP协议进行发包控制时所有的必要信息。了解IP首部的结构，也就能够对IP所提供的功能有一个详细的把握。

相关协议

DNS

我们平常在访问某个网站时不使用IP地址，而是用一串由罗马字和点号组成的字符串。而一般用户在使用TCP/IP进行通信时也不使用IP地址。能够这样做是因为有了DNS（Domain Name System）功能的支持。DNS可以将那串字符串自动转换为具体的IP地址。

这种DNS不仅适用于IPv4，还适用于IPv6。

ARP

只要确定了IP地址，就可以向这个目标地址发送IP数据报。然而，在底层数据链路层，进行实际通信时却有必要了解每个IP地址所对应的MAC地址。

ARP（Address Resolution Protocol） 是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。如果目标主机不在同个链路上时，可以通过ARP查找下一跳路由器的MAC地址。不过ARP只适用于IPv4，不能用于IPv6。

IPv6中可以用ICMPv6替代ARP发送邻居探索消息。

ICMP

架构IP网络时需要特别注意两点：确认网络是否正常工作，以及遇到异常时进行问题诊断。

ICMP正是提供这类功能的一种协议。

ICMP的主要功能包括，确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程当中IP包被废弃的具体原因，改善网络设置等。有了这些功能以后，就可以获得网络是否正常、设置是否有误以及设备有何异常等信息，从而便于进行网络上的问题诊断。

DHCP

如果逐一为每一台主机设置IP地址会非常繁琐的事情。特别是在移动使用笔记本电脑、智能终端以及平板电脑等设备时，每移动到一个新的地方，都要重新设置IP地址。

于是，为了实现自动设置IP地址、统一管理IP地址分配，就产生了DHCP（Dynamic Host ConfigurationProtocol）协议。有了DHCP，计算机只要连接到网络，就可以进行TCP/IP通信。

NAT

NAT（Network Address Translator）是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。除转换IP地址外，还出现了可以转换TCP、UDP端口号的NAPT（Network Address PortsTranslator）技术，由此可以实现用一个全局IP地址与多个主机的通信

NAT（NAPT）实际上是为正在面临地址枯竭的IPv4而开发的技术。

参考资料

图解TCP/IP：第5版/（日）竹下隆史等著；乌尼日其其格译．–北京：人民邮电出版社，2013.6

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