IP协议（网络层重点协议）
目录
一、IP协议报头格式
二、地址选择
1、IP地址
（1）格式
（2）组成
（3）分类
（4）子网掩码
三、路由选择
IP协议是网络层的协议，它主要完成两个方面的任务：
- 1.地址选择
- 2.路由选择
一、IP协议报头格式
（1）4位版本号：IP协议的版本号，当前主要有两个取值：4和6，即IPv4和IPv6。
（2）4位首部长度：IP报头和TCP报头类似，都是可变的，带有选项。
4 位的取值范围0~15，这里的单位也是 4字节。
即如果取值是1111 -> 15，实际表示的首部长度就是 60（15 * 4）字节。
（3）TOS（8位服务类型）：其实只有四位是有效的。相当于切换形态。（同一时刻，只能取一种状态）。
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。
（4）16 位总长度（字节数）：IP数据报整体占多少个字节。类似UDP，单个IP数据报最大的长度不能超过64K。
如果要构造一个更长的数据报（比如搭载的载荷部分已经超过64K了）：IP协议自身就实现了分包和组包这样的操作。（标识和片偏移）
（5）16 位标识：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（分包），那么每个片里的这个标识id都是相同的。
（6）3 位标志字段：
- 第一位保留：保留的意思是现在不用，但是不代表以后不用。
- 第二位为 1：表示禁止分片。 此时如果报文长度超过64K，就会直接丢弃报文。
- 第三位“更多分片”：用于分片场景。如果分片了话，最后一片的这里置为0，其他片置为1 。类似结束标记。
（7）13 位片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。就是表示当前的这个分片是在原来报文中的哪个位置。用来描述这些分片谁先谁后。
实际偏移的数不是单纯的1、2、3....，而是可以基于片偏移来算出中间差多少空间的。
（8）8 位生存时间（TTL）：数据报到达目的地的最大 报文跳数。
表示一个IP数据报，在网络上还能存在多久。一般是 64。每次经过一个路由，TTL -=1，一直减到 0 还没到达，就丢弃了。用来防止出现路由循环。（有些包里面的IP地址，可能是永远也到不了的，像这样的包，不能让其在网络上无休止的转发，这样会占用太多硬件资源）
（9）8 位协议：表示上层的协议类型。即传输层用的是哪种协议（TCP和UDP 都有不同的取值）。
（10）16 位首部校验和：使用 CRC 进行校验，来鉴别头部是否损坏。
（11）32 为源地址 和 32 位目的地址：表示发送端（的IP地址）和接收端（的IP地址）。
（12）选项字段：不定长，最多40个字节。
二、地址选择
1、IP地址
IP地址是指互联网协议地址（网际协议地址）。
IP地址是 IP协议 提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机都分配了一个逻辑地址。
（1）格式
IP地址是一个 32 为的二进制数，通常被分割为4个字节。用“点分十进制”的方式来表示。
例如：100.4.5.6
（2）组成
IP地址分为两个部分：网络号（标识网段） + 主机号（标识主机）。
- 网络号：描述当前的网段信息（局域网的标识）。
- 主机号：区分了局域网内的主机。
（3）分类
过去曾经提出过一种划分的方案，把所有IP地址分为5类，如下图所示。
其中有几个特殊的IP地址：
- 主机号全 0 ：该 IP就表示网络号，代表这个局域网。（局域网里一个正常的设备，主机号不能设为 0 ）
- 主机号全 1 （255）：该 IP就表示“广播地址”，往这个广播地址上发消息，整个局域网中都能收到。
- 127.0.0.1 ：环回地址，用于本机环回测试。
使用上述的分类，会出现一些资源浪费的问题。例如一般单位会申请 B 类网络，但是 B 类网络的最大连接主机数量是 65534，实际上连接的主机远远小于这个数字，就造成了资源浪费。
因此就有了子网掩码。
（4）子网掩码
IP地址有 32 bit位，那么哪些是网络号，哪些是主机号呢。其实是不固定的。子网掩码就是用来表示多少个bit位是网络号的。
子网掩码，也是一个 32 位的点分十进制的整数。子网掩码的左侧都是1，右侧都是0 。而左边的这些 1 就表示哪些位是网络号，剩下的 0 就是表示哪些位是主机号。
例如：255.255.255.0 -> 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 （前 24 个bit位是网络号，后 8 个bit位是主机号）
计算方式：
网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号及主机号。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
将 IP 地址和子网掩码进行 “按位与” 操作，得到的结果就是网络号。
（5）外网IP和内网IP：
IP地址是10开头、192.168开头、172.16~172.31开头，表示该 IP 是一个局域网内部的IP（内网IP）。除此之外，剩下的IP称为 外网IP（直接在广域网上使用的 IP）。
要求外网IP一定是唯一的，每个外网IP都会对应到唯一的一个设备。内网IP 只是在当前局域网中时唯一的，在不同的局域网里，可以有相同的 内网IP 的设备。
其作用：
咱们现在生活中时 IPv4协议，使用的IP地址是 32 位整数。但是随着时间推移，世界上的设备越来越多，让每一个设备都有唯一的一个IP地址就不现实了。就有如下方法了。
① 动态分配IP地址：让每个设备上网的时候才分配IP地址，不联网的时候这个IP就给别人。（不能从根本上解决问题，所以我们现实中不采用）
② NAT机制：让多个设备共用一个 IP （外网IP）。
这个机制就是把网络分成了 内网（局域网）和 外网（广域网）。要求 外网IP 必须表示唯一的设备，同时内网中的若干设备，可以共用同一个外网IP。这个时候每个外网IP就都可能表示着几百个甚至上万个设备了，此时IP地址的压力就缓解了很多。
两个外网之间的连接，如果外网A里有多台 PC 都向 外网B 发送连接，那么外网B如何区分这两个连接谁是谁呢？靠端口号。
NAT机制也说明了：
对于一个外网IP，可以在互联网任意位置都能访问到。
对于一个内网IP，只能在当前局域网内部访问。局域网1 的设备，不能使用 内网IP 访问局域网2的设备。（内网IP可以重复出现，只有在当前局域网内才是唯一的）。
现实生活中，运营商的路由器就会在这里修改IP数据报，从内网发出带有这样功能的路由器设备，也叫做 NAT设备。
NAT 设备：
NAT 不光会将 IP 调整为外网IP。还会对端口进行调整，如果端口不一样，就罢了；如果端口一样，NAT 就会调整成不同的端口号，再转发出去。 同时 NAT 会记录这个映射关系，以此保证服务器返回的数据，可以再按照这个映射关系给还原回去。
③ IPv6：IPv6 是在报头中使用了一个更长的字段来表示 IP 地址，16 个字节，128 bit位（IPv4是 4个字节）。
但是现在依然用的是IPv4+NAT。因为这里最大的问题就是 IPv4和IPv6是不兼容的，对于一个设备来说，支持IPv4和IPv6需要两个截然不同的机制，而现有的大量的网络设备（路由器...）很可能都是只支持IPv4，不支持IPv6的。
三、路由选择
路由选择就是规划路径。两个设备之间，要找出一条通路能够完成传输的过程。而要想找出通道，就得先认识路。
IP协议的路由选择也是类似的，IP数据报中的目的地址，就表示了这个包要发到哪里去。这个目的地址，如果当前的路由器直接认识，就直接告诉你路了；如果当前路由器不认识，就会告诉你大概的方向，让你走到下一个路由器的时候再来问问。就这样一次往后走，就会离目的地址越来越近，这个时候总是会遇到一个认识这个地址的路由器，于是就可以具体转发过去了。如果认识了多个路，就可以进行选择，选择一个合适的路径进行传输。
在路由器的内部，维护了一个数据结构——路由表。路由表里面就记录了一些网段信息（网络号...）以及每个网络号对应的网络接口（对应到路由器里面的具体的端口），目的IP就在这些网络号中进行匹配。而路由表中有一个默认表项，就是当 IP地址 在路由表的所有表项中都匹配不上的时候，此时就会走这个下一跳。