IP 协议详解
IP协议
网络层：在数据链路层已经实现局域网内部主机间可以通信的前提下，实现跨LAN的主机间通信
完成路由功能，路由器这个设备就是工作在网络层的
网络层最重要的协议：IP（Internal Protocol）网际协议
IP地址
IP地址有：IPv4和IPv6版本
- IPv4：32位的无符号整数(4个字节)，通常，每个字节以十进制表示，中间以
.连接，例如192.168.18.253，这种分法称为点分法- IPv6：长度128位，是IPv4的4倍，目前正在推广，但是还是广泛使用IPv4
IP地址由网络号 + 主机号组成，WAN是由一个个小网络组成的，每个小网络对应这一个网络号，就好像身份证的前几位就代表你所在省市，IP地址也是这样的
怎么把IP地址拆解成网络号和主机号？
- 静态方式(提前规定好)，这种方式了解即可，使用不多
比如一个ip地址：10.138.25.184
把最左侧的第一个十进制转化为二进制就是
0b00001010，以0开头的就是A类地址
但是这种静态方式使用不多，因为运营商在分配的时候经常分配一整个网络号，太浪费了
- 动态方式，添加了一个网络掩码(network mask)的因素
网络掩码：无符号32位整数，特点，前面全是1，后边全是0，比如：11111111 00000000
如果是1和0交替的，那就不是网络掩码，比如：11101101 11010011
网络掩码的写法有两种：一种是点分发，比如
224.0.0.0；另一种就是只写1的个数，比如/3，表示前三个二进制都是1，后面都是0
通过IP地址 + 网络掩码，如何计算网络号和主机号？
网络号 = ip地址 & mask
主机号 = ip地址 & (~mask)
第一个：180.210.242.131/21 网络号：180.210.240.0 主机号：0.0.2.131
第二个：10.253.182.113 网络号：10.192.0.0 主机号：0.61.182.113
特殊IP地址
- 主机号全0的IP，不会分配个主机使用，一般作为网络号使用，比如192.168.13.0/24是不会分配的
- 主机号全1的IP，不会分配给主机使用，一般作为广播号使用，比如192.168.13.255/24是不会分配的
- 127.0.0.0/8，保留为环回地址，一般使用的是127.0.0.1
- 内网地址 和 公网地址，就比如酒店的电话是内网电话号，在酒店的客房中拨通一个另一个房间号002，是可以拨通的，但是如果用私人手机号拨打这个房间号002，是打不进去的，唯一的办法就是给总机打电话，然后由总机转接；IP地址同理，一个信道只能由内网向外网主动建立，外网不能主动向内网建立，外网想要和内网通信，就必须通过内网的外网地址；所以，我们个人使用的只有内网地址的电脑是无法作为服务器，因为在内网中做服务器，只有内网地址能访问该地址，外网的地址无法直接访问
常用的内网地址：
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255，即10.?.?.?/8
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255，最常见
除了这些内网地址，剩下的就是公网地址
网络中的IP地址可以重复，但同一个网络内不允许重复：
意思是不同的内网之间，都可以存在都一个IP地址，但是同一个内网之间不允许IP地址重复，且这些内网的外网地址也是不重复的
比如几个独立的内网之间，可以都用192.168.1.1，这些内网的外网地址是不同的
一跳一跳的网络数据传输
UDP/TCP发送数据的时候，本机IP(提前绑定好)，目标IP地址，这个目标IP就是长期目标
但是想要到达长期目标需要短期目标，那么如何根据长期目标得到短期目标？
通过主机内部维护着的路由表来完成，只要工作在网络层及以上的设备，都有路由表
所以交换机是没有路由表的，交换机工作在数据链路层，那么也就意味着交换机没有寻路功能
Windows系统下电脑中的路由表：
网关：上图中192.168.1.1就是出口，即下一跳的地址；一旦匹配命中，就通过网卡得到短期目标(下一跳地址)，如果是在链路上，就是在同一个LAN中，此时的长期目标就是短期目标
匹配方式：长期目标(IP) & 网络掩码 == 网络目标
比如长期目标：192.168.1.3，从下往上匹配，当匹配到24/的时候，结果是192.168.1.0，就匹配上了，如果网关是在链路上，则下一跳IP是就是目标IP，即192.168.1.3
比如长期目标：118.252.137.68，匹配到0.0.0.0，结果是0.0.0.0，匹配上了，则下一跳IP(下一个短期目标)就是该网关192.168.1.1
这种网络掩码为0.0.0.0的，任意IP地址都能与其匹配，一般这条记录就称为“默认网关”，这个一般就是路由器的IP地址了，总的来说，能自己搞定就自己搞定，如果搞不定，就交给路由器
路由器中的记录来源：
静态(手动配置)、动态计算(路由算法生成)
IP Packet
Header部分：
- 4位版本号：指的是IP协议的版本，是ipv4或ipv6，两者的header格式不同，该图中是ipv4，版本号4bit定长
- 4位首部长度：首部长度以32bit(4 bytes)为单位进行计算，而4个bit位能表示的最大数字是15，因此header的最大长度是4 * 15 = 60字节
- 8位服务类型：这里包括三部分，前3位是优先权字段(先以启用)；中间4位是TOS字段，分别是最小延时(尽快传输, 有数据就进行发送)、最大吞吐量(传输量尽可能大, 可以晚点传，但每次传的数据要大)、最高可靠性和最小成本，这四者之间是相互冲突的，所以只能选择其中一个，对于SSH/Telnet这样的应用程序，最小延时会更重要，对于FTP这样的程序，最大吞吐量比较重要；最后一位是保留字段(必须置为0)
- 16位总长度：IP数据报整体占用字节大小，同样是以字节为单位
- 8位生存时间TTL(Time to Live)：数据报到达目的地的最大报文跳数，也是IP Packet在网络中生存的最大时长，这个生存时间并不以时间单位计算，而是以跳数计算，不同的OS中TTL是不同的，一般为64；IP包每次网络一跳，寿命就-1，如果一直到0还没有到达，那就直接丢弃了，一般来说，TTL是不会减为零的，这种设计主要是为了放置网络环路，防止IP包在网络中无限传递；其次，TTL是可以影响到网络层以上的层次的(传输层/应用层)，比如TCP协议中的MSL
- 8位协议：TCP协议或UDP协议，主要用于分用
- 16位首部检验和：使用CRC进行校验，来鉴别首部是否有损坏
- 32位源地址和目标地址：即发送端和接收端的IP地址
上面的这些比较容易理解，在首部中，还有3个内容没有提及，分别是：16位标识、3位标志以及13位片偏移
在介绍这3个之前，我们先假设一个场景：在网络层的下层(数据链路层)一般是有每次能发送的数据大小限制的，假设有4台主机分别以千兆以太网、令牌环网、无线网这3个不同的数据链路层协议连接，以太网和无线网协议下假设能够发送100字节的数据，而令牌环网只能发送10字节的数据，那么在数据传输的过程中，就会有传不过去的情况
在这种情况下，有两种处理方式：
- 方式一：如果发送不过去，干脆直接丢掉好了，这种处理方式造成了网络不可靠，但是网络层并不负责可靠性的职责
- 方式二：进行分片发送，把100字节的数据分成10份10字节的数据，分别发送，到达目的之后在组装
一般电脑上的分片功能都是关闭的
第二种处理方式引出了新的挑战，对于接收端来说，分片发送来的数据并不能保证其顺序，也不知道哪些数据是一起的
- 因此就需用用到header中的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，那么属于同一份数据的分片里面的这个id都是相同的
通过16位标识，我们能够将哪些分片属于哪部分数据区分开来，但是每份数据中分片之间的顺序还不能确定
- 于是我们又需要这13位分片偏移：
是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置
当我们能够对每份数据中的分片进行正确排序之后，我们还有最后一个问题，什么时候分片组装完成了？换言之，我们需要知道哪个分片是这份数据中的最后一个分片？
- 针对这个问题，我们要引出这个3位标志：
- 第一位：保留保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到
- 第二位：“不分片”的标志(DF)，为0表示可以分片，为1表示不允许分片
- 第三位：“更多分片”的标志(MF)，表示后面是否还有分片，为1则说明后面还有分片，为0则说明后面没有分片，该分片已是最后一位了
Windows下通过tracert命令，可以看到每一跳的IP地址
