计算机网络（二）| IP协议

IP概述

IP 协议简述

IP协议（Internet Protocol，互联网协议），是TCP/IP协议栈中最核心的协议之一，通过IP地址，保证了联网设备的唯一性，实现了网络通信的面向无连接和不可靠的传输功能。
IP协议的主要作用是在相互连通的网络之间传输IP数据报，最重要的部分是IP寻址、路由选择、数据分段与重组。

IP协议的头部

我们可以使用wireshark抓包分析一下IP的头部信息。

ping命令数据包

• Version（版本号）：标识IP协议的版本，目前V4版本地址已经枯竭，V6慢慢成为主流。
• Header Length（头部长度）：默认为20字节，最大为60字节
• Differentiated Services Field （服务区分符）：用于为不同的IP数据包定义不同的服务质量，一般应用在QoS技术中。
• Total Length （总长度）：标识IP头部加上上层数据的数据包大小，IP包总长度最大为65535个字节。
• Identification （标识符）：用来实现IP分片的重组，标识分片属于哪个进程，不同进程通过不同ID区分。
• Flags（标志符）：用来确认是否还有IP分片或是否能执行分片。
• Fragment offset （分片偏移量）：用于标识IP分片的位置，实现IP分片的重组。
• Time to live （生存时间）：标识IP数据包还能生存多久，根据操作系统不同，TTL默认值不同，每经过一个三层设备如路由器的处理，则TTL减去1，当TTL=0时，则此数据包被丢弃。
• Protocol （协议号）：标识IP协议上层应用。当上层协议为ICMP时，协议号为1，TCP协议号为6，UDP的协议号为17。
• Header checksum （头部校验）：用于检验IP数据包是否完整或被修改，若校验失败则丢弃数据包。
• Source（源IP地址）：标识发送者IP地址，占用32bit。
• Destination （目的IP地址）：标识接收者IP地址，占用32bit。

我们可以将几个常用的头部信息组合起来：

• Id+Flags+FO三个字段可以实现IP数据分片和重组
• Total Length和Header Length标记IP头部和上层数据的边界

IP地址

IP地址的分类

IP地址分为五个类别：分别为A类，B类，C类，D类，E类。

IP地址分类

• A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
• B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
• C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
• D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
• E类：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

然而，这种划分方案的局限性很明显，大多数都申请的是B类地址，就会导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量地址。
因此引入了一个新的划分方案（CIDR）：引入一个子网掩码的概念来区分网络好和主机号，子网掩码本身也是一个32的正整数。子网掩码对应IP地址的网络号全为1，主机号全为0。 将IP地址与子网掩码进行按位与操作，得到的结果就是网络号。

IP v4地址不够用了怎么办

虽然CIDR一定程度上减少了IP地址的浪费，但是IPv4地址只有43亿左右，怎么都是不够用的，因此需要解决方案来解决IPv4枯竭的问题，目前有三种方案。

• 动态分配IP地址
• NAT技术
• IPv6

接下来主要介绍一下NAT技术：

静态NAT

如果一个内部主机唯一占用一个公网IP，这种方式被称为一对一模型。此种方式下，转换上层协议就是不必要的，因为一个公网IP就能唯一对应一个内部主机。显然，这种方式对节约公网IP没有太大意义，主要是为了实现一些特殊的组网需求。比如用户希望隐藏内部主机的真实IP，或者实现两个IP地址重叠网络的通信。

图片来源于：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47715358

动态NAT

它能够将未注册的IP地址映射到注册IP地址池中的一个地址。不像使用静态NAT那样，你无需静态地配置路由器，使其将每个内部地址映射到一个外部地址，但必须有足够的公有因特网IP地址，让连接到因特网的主机都能够同时发送和接收分组。

图片来源于：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47715358

PAT

这是最常用的NAT类型。NAT重载也是动态NAT，它利用源端口将多个私网ip地址映射到一个公网ip地址(多对一)。那么，它的独特之处何在呢?它也被称为端口地址特换(PAT)。通过使用PAT(NAT重载)，只需使用一个公网ip地址，就可将数千名用户连接到因特网。其核心之处就在于利用端口号实现公网和私网的转换。
面对私网内部数量庞大的主机，如果NAT只进行IP地址的简单替换，就会产生一个问题：当有多个内部主机去访问同一个服务器时，从返回的信息不足以区分响应应该转发到哪个内部主机。此时，需要NAT设备根据传输层信息或其他上层协议去区分不同的会话，并且可能要对上层协议的标识进行转换，比如TCP或UDP端口号。这样NAT网关就可以将不同的内部连接访问映射到同一公网IP的不同传输层端口，通过这种方式实现公网IP的复用和解复用。这种方式也被称为端口转换PAT、NAPT或IP伪装，但更多时候直接被称为NAT，因为它是最典型的一种应用模式。

图片来源于：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47715358