06.计算机网络——IP协议

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网络层

IP协议

• IP协议提供一种将数据从A主机送达到B主机的能力，进行网络层的通信。

​ IP协议

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基本概念

• 主机 —— 配有IP地址, 但不进行路由控制的设备;

• 路由器 —— 配有IP地址, 又能进行路由控制的这杯;

• 节点 —— 主机和路由器的统称;

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协议头格式

• 4位版本号: 指定IP协议的版本, IPv4/IPv6。
• 4位头部长度: 表示IP报头的长度（包含选项），单位是4 字节，4位表示最大的数字是15, 因此IP报头的范围是[20~60]。
• 8位服务类型: 3位优先权字段(已经弃用), 4位TOS字段, 和1位保留字段(必须置为0). 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. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于ssh/telnet这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要.
• 16位总长度: IP报文总共占多少个字节。
• 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, 那么每一个片里面的这个id都是相同的。
• 3位标志字段: 第一位保留；第二位置为1表示禁止分片；第三位表示"更多分片"，如果分片了的话,
  最后一个分片置为1, 其他是0. 类似于一个结束标记。
• 13位分片偏移: 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，表示当前分片在原报文中处在哪个位置。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍。
• 8位生存时间（TTL）: 数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64，每次经过一个路由, TTL
  -= 1, 一直减到0还没到达, 那么就丢弃了，这个字段主要是用来防止出现路由循环。
• 8位协议: 表示上层协议的类型，是TCP/UDP
• 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏。
• 32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端的IP地址。
• 选项字段，不定长, 最多40字节。

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如何解包

​ IP协议会根据16位总长度和4位首部长度获取有效载荷数据的大小，即：有效载荷=16位总长度 - 4位首部长度*4。

如何交付

​ IP协议会根据报头中的8位协议字段决定将数据交付给TCP还是UDP协议。

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网段划分

IP地址分为两个部分: 网络号和主机号

• 网络号: 表征不同的区域，保证相互连接的两个网段具有不同的标识。网络号在查找的过程中逐步变大，并且收敛。

• 主机号: 同一网段内, 主机必须有不同的主机号。不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。
  

• 通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。
  DHCP技术能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。（一般的路由器都带有DHCP功能）

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子网掩码

• 随着Internet的飞速发展，引入一个额外的子网掩码来划分网络号和主机号的方案，称为CIDR(Classless Interdomain Routing)。子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串 “0” 来结尾;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。

• IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全0到全1就是子网的地址范围。
• 给不同的路由器配置不同的子网掩码，就能看到不同的网络号。目的IP & 当前路由器的子网掩码=报文要去的网络，从而进行数据之间的转发。

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特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成了网络号, 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包。
• 127.*的IP地址用于本机环回测试,通常是127.0.0.1。

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IP地址的数量限制

​ IPv4是一个32位的正整数，那么一共只有 2的32次方 个IP地址, 大概是43亿左右，CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，但是IP地址的绝对上限并没有增加，仍然不够用。

这时候有三种方式来解决:

• 动态分配IP地址: 只给接入网络的设备分配IP地址，同一个MAC地址的设备每次接入互联网中得到的IP地址不一定相同的。
• NAT技术。
• IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版，彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，但是目前IPv6还没有普及。

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私有IP地址和公网IP地址

RFC1918规定用于组建局域网的私有IP地址：

• 在这些范围内的, 都成为私有IP, 其余的则称为公网IP;

• 私有网络的IP是局部的，在不同的子网中可以重复，大大缓解了IP不足的问题。
• 一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP/公网ip, 一个是LAN口IP/子网IP。
• 不同的路由器, 子网IP通常都是192.168.1.1，因为子网属于改路由器自己构建的，路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
• 同时，路由器也是运营商路由器的子网中的一个节点，WAN口IP就是在上级子网给路由器分配的IP。
• 子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，就可以进行通信了，这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。

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路由

​ 路由是指：多台设备进行通信时，彼此之间发送具有IP特征的数据包，当数据包经过具备路由功能的设备时，设备进行解包并查看IP报文的目的网络地址，并于自身维护的路由表条目进行匹配，符合则进行转发，否则丢弃报文，回应网络不可达。

​ IP数据包的传输过程也和问路一样。当IP数据包到达路由器时，路由器会先查看目的IP，路由器内部维护一个路由表判定当前这个数据包该发送到哪里，依次反复, 一直到达目标IP地址。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

• 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到
  192.168.56.0/24网络;

• 路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接
  口,Flags中的U标志表示此条目有效),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的
  地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

• 转发过程: 如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符，再跟第二行的子网掩码做与运算得 到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去。由于192.168.56.0/24正 是与eth1接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发。

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