IP协议

网络层

        对于网络层来说，它是传输层协议的具体实施，那么它具体是如何实施的呢？

IP协议

     

         IP能够实现将数据从A主机送到B主机，在网络中，每一个IP报文都包含了它的目标网络和目标主机。

        而IP协议就是网络层使用的协议。

IP协议报头

        为了了解协议，我们需要了解它的报头。

•  4位版本号：表示使用的IP协议的版本（分为IPV4和IPV6）
• 4位首部长度：表示报头的长度，其单位是4字节
• 8位服务类型：三位优先权字段（已弃用），4位TOS字段，和1位保留字段。其中4位TOS字段分别是：最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者互相冲突，只能选择一个
• 16位总长度：IP数据报总长度
• 8位生存时间（TTL）：数据到达目的地的最大报文跳数，一般为64，每经过一个路由器就-1，目的是防止路由循环
• 8位协议：表示上层协议
• 16位校验和：CRC校验，鉴别头部是否损坏
• 32位源IP地址：发送端的IP地址
• 32位IP地址：接收段的IP地址

        其中，IP地址所记录的就是网络号和主机号。

分片

        在数据链路层有一个规定，就是发送的数据不可超过1500字节，但是传输层并不关心数据有没有超过1500字节，因此网络层对传输层发下来的数据要进行分片，将数据分开。

如何知道数据被分片了？

        解决这个问题我们需要先了解报头中的这三个属性。

• 16位标示：唯一的标识主机发送的报文，若是报文被分片了，同一报文中被分片的数据的标识都是相同的
• 3位标志：第一位保留（目前没用），第二位为1表示禁止分片，第三位为‘更多分片’，如果一个报文的第三位为1，表示它后续还有被分片的报文，为0则表示它是最后一个分片
• 13位片偏移：就是分片相对于原始IP报文开始出的偏移，表示该分片处于原报文的哪个位置，实际偏移量为这个值 *8 ，因此出了最后一个报文，其他报文长度都是8的整数倍

        通过这三个属性，我们就知道报文是否被分片了。

        若是3位标志的第三个为1表示是分片，若是为0&&13位片偏移大于0也说明是分片。

        同一报文的分片则通过16位标示分辨。

        而分片的数据则按照13位片偏移来按升序组装，而报头中的校验和则保证数据的正确性。

如何进行分片的？

        

         当传输层发下来三千字节的数据时，网络层的IP协议会先添加报头。

        然后发现数据已经超过1500字节了，因此它就会将数据给分片。

        第一片包括原来的IP报头和1480字节的数据。

        第二片则是纯1480字节的数据，然后添加报头。

        第三片则是剩下的40字节的数据，然后添加报头。

网段划分（重要）*

        为了提高传输效率，方便定位主机，互联网上的每一台主机都隶属于一个子网，每一台主机在网络上都有自己主机号，每一个子网都有自己的网络号。

        我们可以将子网当成学院，主机则是学生，同一个学院的学生的学院号相同，但是它们的学号不同。

        而网络通信的过程就像是学生寻找失主的过程。

        假设王五捡到了张三的学生证，王五就去学生群里发消息说捡到了学号为 000 123 学号的学生证，让他认领，张三就在学生群中看到了消息，从而找回了自己的学生证。

         然后我们更换下概念，学生是主机，学院是这个主机所在的子网，学生群则是公网。

         就像图中，同一个网段中的主机标识不同，但是不同网段的主机标识可以相同，而且不同网段的网络号也不同，此外，连接两个子网的就是路由器。

        这样就能够保证网络中的主机的IP地址都不相同。

        其中路由器在网络中担任了重要角色，它带有DHCP功能，能够自动的给子网内新增节点分配IP地址。

子网掩码

        在之前，曾提出过一种划分网络号和主机号的方案，将IP地址分为五类。

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

        但是这种方案随着网络的发展出现了局限性，大部分组织都申请的是B类的IP地址，导致B类很快就分配完了，但是A类却浪费了大量地址。

        因此又提出了新的划分方案：CIDR。

• 引入了额外的子网掩码来区分网络号和主机号
• 子网掩码是一个32位的正整数，通常由一串 ‘0’ 结尾
• 将IP地址和子网掩码进行 “按位与” 的操作，就得到了网络号
• 而网络号和主机号的划分与这几个方案都无关

例如：

         通过与操作能够成功的计算出网络号和子网地址范围。

        此外还有一种特殊的表述方法：140.252.20.68/24，就表示IP地址是 140.252.20.68，子网掩码高24位为1，也就是 255.255.255.0 。

特殊的IP地址

• 主机地址全为0表示网络号，也就是这个局域网
• 主机地址全为1表示广播地址，也就是给同一链路中的所有主机发送数据包
• 127.*表示本地环回测试，一般是127.0.0.1

IP地址的数量限制

        由于特殊IP地址和网络高速发展，IPV4版本的IP协议已经不够用了。

        即便有CIDR来缓解，但是依旧治标不治本。

        因此各界大佬提供了三种方案。

• 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址
• NAT技术
• IPv6协议：是一个128位16字节的协议，能够大大缓解当前IP地址不足的问题

私有IP和公网IP地址

        一般组建局域网的都是私有IP，而私有IP是规定了的。

• 10.*，前8位是网络号
• 172.16到172.31，前12位是网络号
• 192.168.*，前16位是网络号
• 在这个范围内的都是私有IP

        而公网都需要运营商的路由器来连接。

•  每台主机发送数据都需要经过家用路由器，企业路由器然后放到广域网中，再发送给对应的主机以此来通信。
• 每一个路由器可以配置两个IP地址：WAN口IP和LAN口IP（子网IP）
• 路由器LAN口连接的主机都从属于该路由器的子网
• 每个路由器它的LAN口IP都相同，但是子网内的主机IP不同，不过子网之间的IP地址就可以重复了
• 最外层的运营商路由器的WAN口IP就是公网IP
• NAT技术就是每一层路由器将IP首部的IP地址进行替换，这一层的WAN口IP变为上一层的LAN口IP，逐级替换最后到公网IP

路由

        目前我们已经知道了网络通信实际上是主机发送数据包给路由器，路由器通过数据报上的目的IP来一层一层的找到对应主机，那么IP协议是如何做到的呢？

        实际上IP协议这种一层一层找到对应主机的路的方式叫做路由，而路由就是靠路由器内部维护的路由表。

路由表

        在网络中的每个节点都维护着自己的路由表。

        在命令行中可以用 route 命令查看。

• Flag 中的 U 表示此条目可用，带有G表示下一跳是路由器地址，没有G则表示同一子网中的其他主机地址 

        当我们发送数据报时，就是在路由表上通过与子网掩码运算，来和目的地址对比，若是运算后有对应的目的地址，就直接跳转，没有就采用默认目的地址，通过路由发送到其他子网上去。

        通过这样的方式，我们经过一层一层的路由表的子网掩码计算得到的目的IP会越来越准确，最终定位到目标主机。

总结

        本篇博客了解了什么是IP，IP协议的报头格式，以及报头各个属性的作用，然后还了解了什么是分片。

        而后了解到为了方便定位主机，提高传输效率，大佬们提出了网段划分，但是随之而来的是IP地址的不足，为了解决这个问题大佬提出了子网掩码的解决方法，还了解到一些特殊的IP地址以及IP地址的数量限制。

        后面又了解到私有IP的划分，还了解到不同局域网之间的主机进行通信的大致过程，还了解了路由以及每个节点维护的路由表。

        以上就是网络层协议的内容。