网络层重要协议 --- IP协议

今日摘录

关山难越，谁悲失路之人。萍水相逢，尽是他乡之客。

网络层的职责是地址管理和路由选择，在网络层中最重要的协议是ip协议。下面先介绍一下ip数据报，再聊地址管理和路由选择。

IP数据报

先看看IP数据报结构：

数据报首部

• 4位版本：IPv4或IPv6。（中国IPv6是一项伟大的创举）
• 4位首部长度：与TCP报头一样，单位为4个字节
• 8位服务类型：实际有效位为4位，其余有3位优先权字段，一位保留位。这四位有效位只能有一位值为1，代表了ip协议的四种形态，分别是最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。
• 16位总长度：报头＋数据。单位为字节，意味着一个ip数据报最大为64kb，如果大于64kb，在网络层会自动拆分和组装。拆分和组装时要依靠下一行字段。
• 16位标识：用于标识不同的传输层报文，一个报文拆分成多个ip数据报，来自同一报文的标识值相同。
• 3位标志：用于标识当前数据报是否为所属报文的最后一个数据报。
• 13位片偏移：用于给属于同一报文的数据报排序，保证接收方组装数据报时是有序的。
• 8位生存时间（TTL）：数据报在网络传输过程中的最大生存时间，注意这里的时间单位并不是秒和毫秒，而是经过路由器的个数，准确来说是向每一个路由器寻址的次数（每经过一个路由器进行一次寻址）。每个TTL都有一个初始值，不同操作系统的TTL值不同（32，64），每经过一个路由器TTL值减一，当TTL值为0时，认为目的ip地址不存在，将数据报丢弃。
• 8位协议：用于标识上层，即传输层的协议（TCP或UDP）。
• 16位首部校验和：这个校验和只是首部的校验和，因为载荷的校验和在传输层进行计算（TCP和UDP的校验和字段）。
• 32位源ip：ip数据报发送方的ip地址。在计算机中用32位二进制标识，平时表示时将32位分成4份，对每一份用点分十进制表示。
• 32位目的ip地址：ip数据报接收方的ip地址。
• 选项字段：与TCP的选项字段一样，长度不定。

IPv4的局限及解决方法

在IPv4体系中，ip地址用32位二进制表示，这就意味着IPv4能为全球体统的ip地址数最多有42亿九千万个。每一个能上网的设备都需要一个ip地址，随着互联网的蓬勃发展，能上网的设备种类越来越多。PC、移动手机、服务器、路由器乃至于万物联网，42亿九千万这个数量已经不足以为全球的上网设备提供ip地址了。

为了解决这个问题，有了三个解决方法，实际上前两个只是缓解，第三个才是从根本上解决了IP地址不够用的问题。

• 1. 动态分配ip地址
     当有一个设备要上网时就给这个设备分配一个ip地址，这个设备不上网时，这个ip地址就分配给其它要上网的设备。
     这只是提高了ip地址的利用率，并没有从根本上解决问题。
• 2. NAT地址转换
     NAT地址转换实质上是实现了用一个ip地址同时代表多个设备。

1. 在NAT中，将ip地址分为私网ip（内网ip）和公网ip（外网ip）。

2. 私有ip有10.* 、 172.16.* - 172.31.* 、 192.168.* 。剩下的地址都是公网ip。

3. 在不同的局域网中，私网ip可以重复使用。但公网ip只能有一个。

4. 当一个私网ip要访问公网ip时，经过NAT设备（路由器）进行地址转换之后，就会将私网ip映射成一个公网ip，同一个内网中的设备映射的公网ip是相同的。多个同一内网的ip去访问同一个服务器（外网ip）时，在服务器方显示的源ip都是同一个，即该子网中设备映射的公网ip。看以下图解：
   

5. 当公网ip收到内网ip的访问时，虽然无法得知访问者的内网ip是多少，但是知道了访问者的公网ip和端口号，将响应发送给访问者的公网ip，公网ip的路由器会根据端口号来区分具体响应的是哪个主机，从而完成通信。

6. 公网ip在没有收到内网ip的访问时，是无法直接与内网ip进行通信的。这是因为如果内网ip不访问公网ip，公网ip就不知道内网ip的端口号，也就无法与内网ip建立通信。同理两个局域网内的内网ip也无法直接通信。

NAT地址转换可以有效缓解ip地址不够用的问题，但是带来的副作用是使得网络环境更加复杂。

• 3. IPv6
     IPv6从根本上解决了ip地址的数量问题。
     IPv4用32位表示，可表示的ip地址有42亿九千万个。
     IPv6用128位表示，位数提高为原来的4倍，可表示的ip地址个数是42亿九千万的四次方。这个数量可以给地球上的每一粒沙子都分配一个ip地址了。
     我国一直走在IPv6研究的最前方，目前IPv6的普及程度是全球普及率最高的。大家可以查看以下自己的路由器配置是否开启了IPv6。当开启IPv6之后，网速不会变得更快，信息不会变得更多，唯一不同的是你在互联网世界所踩的每一寸土地，都将属于我们自己，历史的债将在IPv6还清。

地址管理

为了方便进行地址管理（组网）,将ip地址分为了网络号和主机号
网络号：保证相连的两个网段有不同的标识
主机号：用于区分同一网段中的不同主机。同一网段中的网络号相同，主机号不同。如果同一网段中有两个设备主机号相同，那么这两个设备中势必有一个不能上网。

那么问题来了，一个ip地址的哪几位是网络号，哪几位是主机号呢？这需要靠子网掩码来进行区分，以我的ip地址为例：

看下图：

子网掩码的左半部分全为1，右半部分全为0，子网掩码为1的位数就是网络号的位数。以我的ip地址为例的话就是网络号为10.138。

1. 如果将一个ip地址中的主机位全设为0,就成为了网络号，代表这个局域网。
2. 如果将一个ip地址中断主机位全设为1，就成了广播地址，可以为局域网内的所有设备发送数据。结合UDP的知识，我们知道如果向10.138.255.255发送UDP报文，则整个局域网内的所有设备都可以收到。
3. 127.*的ip地址用于本机环回测试，通常是127.0.0.1。
4. 通常将主机号为1的地址设为默认网关，这个可以自由配置。

路由选择

在每一个路由器中都有一个路由表，在路由表中保存了周围设备的信息，当ip数据报经过一个路由器时，都会查看路由器的路由表，根据自己的目标ip看一下自己的下一站应该去哪个ip。如果路由表中有下一站信息，就会直接顺着路由走，如果没有会顺着路由表的默认路由走。每查看一次路由表就会使TTL值减一。如果TTL值减为0了，说明目的ip不存在，永远找不到，就会丢弃这个ip数据报。

以上简单介绍了路由选择的过程，实际上的路由选择过程十分复杂，涉及到路由表的配置，更新等一系列问题。