以太网之IP协议（七）

目录

一、IP协议的功能

1.1 IP地址

1.2 IP路由

1.2.1 路由原理

1.2.2 路由控制表

1.3 IP分包与组包

二、IP地址

2.1 IP地址分类

2.2 多播地址

2.2.1 广播地址

2.2.2 组播地址

2.3 子网掩码

三、IP帧格式

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一、IP协议的功能

        数据链路层提供直连两个设备之间的通信功能。与之相比，作为网络层的IP则负责在没有直连的两个网络之间进行通信传输。

        IP大致分为三大作用模块，它们是IP寻址、路由以及IP分包与组包。

1.1 IP地址

        IP地址属于网络层地址，用于在连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址。

1.2 IP路由

        路由控制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。

1.2.1 路由原理

        多跳路由是指路由器或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机，而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间（跳）在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作，直至包达到最终的目标地址。

        在路由过程中，IP数据包在经过路由器里面的目标MAC地址为重新被封装，替换成下一个路由器的MAC地址，这个过程是反复进行的，直到路由到最终目标主机是，MAC地址才会被替换为最终目标主机的MAC地址。

1.2.2 路由控制表

        为了实现数据包在不同子网间的路由，所有的路由器主机都各自维护这一张路由控制表。该路由表记录着不同子网网段与路由器的映射关系，在IP数据包传输过程，判断目标主机子网对应的路由器进行路由。

        路由控制表有两种形式，分别为静态路由控制、动态路由控制。

1.3 IP分包与组包

        IP是实现多个数据链路之间通信的协议。由于数据链路种类多样，各有各的差异，而IP协议是将其抽象在数据链路层之上的网络协议，从而支持不同数据数据链路之间的通信。

        在以太网中，数据帧最大传输长度为1500字节。为了实现更大数据包的传输，IP协议支持数据包的分片传输，将数据包分片传输到目标主机上再进行分片重组。

        不过，由于IP协议是面向无连接的通信协议，其传输存在不可靠性，所以尽可能不使用IP的分片重组进行大数据包的传输，而是使用其他传输层协议。例如TCP的分段传输。

        备注：当前很多主机实现了路径MTU发现功能，原理是通过较大的一个数据包禁止分片发送，当路径上的MTU不满足时会通过ICMP报错并返回当前报错的MTU值。多次调整MTU值就可以测试出到目标主机的最小MTU值了，即路径MTU。

二、IP地址

        IPv4的地址由32比特位的数据来标识，其由“网络地址”和“主机地址”两部分组成。

2.1 IP地址分类

        根据网络标识将IP地址分为4个类别，分别为A类、B类、C类、D类IP地址。

• A类地址：前1位为“0”，第1位~第8位为网络标识，其网络地址为0.0.0.0～127.0.0.0。
• B类地址：前2位为“10”，第1位~第16位为网络标识，其网络地址为128.0.0.1～191.255.0.0。
• C类地址：前3位为“110”，第1位~第24位为网络标识，其网络地址为192.168.0.0～239.255.255.0
• D类地址：前4位为“1110”，第1位~第32位为网络标识，224.0.0.0～239.255.255.255是D类的网络地址，没有主机标识，常用为多播地址。

        备注：在IP地址中，主机标识不能全为0或全为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使用。而全部为1的主机地址通常作为广播地址。

        备注：为了规范私有局域网内的IP地址设置，规定了私有网络的IP地址范围为：

2.2 多播地址

        多播地址分为广播地址、组播地址两类。

2.2.1 广播地址

        广播地址：用于在同一个链路中相互连接的主机之间发送数据包。FF：FF：FF：FF：FF：FF。

• 本地广播：在本网络内的广播叫做本地广播，并不会到达路由器之外的其他链路上。
• 直接广播：不同网络之间的广播，需要路由器配置支持转发，存在一定的网络安全。

2.2.2 组播地址

        组播地址使用D类地址进行，其范围为224.0.0.0~239.255.255.255。其中，224.0.0.0~224.0.0.255，不需要路由控制，也能实现在同一个链路内的组播。其余的组播地址会给全网内的组成员发送组播包，必要的时候可以利用生存时间TTL限制组播包的到达范围。

2.3 子网掩码

        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。降低直接A类、B类、C类地址这种浪费资源的形式。

三、IP帧格式

（1）版本：IP协议的版本，0x0100（IPv4），0x0110（IPv6）

（2）首部长度：IP报头的长度。固定部分的长度（20字节）和可变部分的长度之和，最大长度为15个4字节，即15*4=60字节，去掉固定长度20字节，可变长度最大为40字节

（3）服务类型：长度为1字节

（4）总长度：IP报文的总长度，含报文头部以及数据部分

（5）ID号：标识主机发送的报文唯一ID，当IP报文长度超过传输网络的MTU时必须要分片处理，该字段用于区分收到的分片是否属于同一报文以及报文重组

（6）标志：共3位，R、DF、MF三位，目前只有后两者有效；DF=1表示不分片，DF=0表示分片；MF=1表示后续还有分片包，MF=0表示该分片是最后一片

（7）分片偏移：该分片在原先数据报文中相对首位的偏移位，片偏移以8个字节为偏移单位，即每个分片的长度一定是8字节的整数倍

（8）生存时间：IP报文所允许通过的路由器的最大数量

（9）协议号：指出IP报文携带的数据使用的是那种协议，1 ICMP；6 TCP；17 UDP

（10）首部校验和：计算IP头部的校验和，检查IP报头的完整性。

（11）发送方IP地址：标识IP数据报的源端设备

（12）接收方IP地址：标识IP数据报的目的地址

（13）可选字段：0-40字节，一些可选项，主要用于测试，不足32bit则用0补充。

（14）IP数据：IP层MTU为1480字节，这是在MAC层MTU1500基础上去掉固定头部长度20字节得到的