网络层最重要的协议—IP协议

IP协议格式

• 4位版本：此处取4或6
• 4位首部长度：描述IP报头的长度。（单位也是4字节）
• 16位总长度：描述一个IP数据报的总长度（报头+载荷）
• 16位标识：同一个数据拆成的多个包，标识相同
• 3位标志：是结束标志
• 13位片偏移：标识了拆分后多个包的先后顺序

16位标识，3位标志，13位片偏移，这几个字段都是为辅助拆包、组包提供的。

• 8位生存时间(TTL): 一个数据报在网络上能够传输的最大时间，这个时间的单位不是秒，而是次数。

一个数据报构造出来，会有一个初始的TTL数值，比如32或者64，或者128，这个数据报每次经过一个路由器转发，TTL减一。如果一直减到零了，还没有到达目标，此时就认为这个包可以丢弃。

• 8位协议：描述当前载荷部分内容是属于哪个协议的。（TCP/UDP）
• 16位首部校验和：此处只需要针对首部进行校验，载荷部分(TCP/UDP数据报)，自身已经有校验和了。

注意：此处如果校验和不一致，直接丢弃IP协议，不负责重传。如果上层使用TCP协议，TCP会在没收到ACK之后就重传。

• 32位源IP地址/32位目的IP地址：是IP协议中最重要的部分。

使用三个点 . 把32位四个字节的数字给分割开。分成四个部分，每个部分分别使用0-255十进制整数表示。例如172.18.33.76

问题一：16位总长度是否意味着一个IP数据报最大只能支持64KB？
答案：是否定的，一个IP数据报携带的数据载荷太长如果超过了64KB，就会在网络层针对数据进行拆分，把一个数据拆成多个IP数据报再分别发送给接收方，再重新拼装。

具体实现过程(以下是针对数据报超过64KB的操作)：
发送方:把数据交给传输层（封装)，传输层交给网络层(封装)，网络层就把这个数据拆包，比如拆成两份，这两份再交给数据链路层，由以太网封装成两个数据帧。
接收方:数据链路层，针对两个数据帧进行分用，得到两个IP数据报，交给网络层，网络层针对这俩IP数据报进行解析，把里面的载荷拼成一个再交给传输层

解决IP地址不够用问题的三种方法

方法一: 动态分配IP地址

• 这个方法没有从根本上增加IP地址，只是提高了利用率，治标不治本。

方法二: NAT网络地址转换

• 本质上是使用一个IP，代表一批设备。也能够大大提高IP地址的利用率。使用端口号区分。

在NAT背景下，就把IP地址分成两个大类:

• 内网IP/私网IP : 10.* , 172.16.* -172.31.* ,192.168.*
• 外网IP/公网IP : 剩下的是公网IP
  NAT要求公网IP必须是唯一的，私网IP可以在不同的局域网中重复出现。

注意：
如果某个私网里的设备想访问公网的设备，就需要对应的NAT设备(路由器),把IP地址进行映射，从而完成网络访问。
反之，公网的设备无法直接访问私网的设备，不同局域网里的私网设备没法直接相互访问。

方法三: IPv6(根本上解决IP不够用的问题)

• 使用16字节表示IP地址

小结：

实际上，世界上仍然是以NAT+IPv4+动态分配来进行网络组建的，真正使用IPv6的地方非常少。

IP协议之地址管理

IP协议地址管理，把一个IP地址分成两个部分，一个叫做网络号，一个叫做主机号。

主机号/网络号

• 主机号: 标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
• 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识，也就是局域网

子网掩码

作用：用来给一个IP地址划分网络号和主机号

• 子网掩码中1的部分就描述了IP有多少位是网络号。

特殊IP

• 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网。
• 将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据。
• 127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试,通常是127.0.0.1（测试程序是否能正常工作）