TCP/IP协议

1.IP协议是什么

        之于网络层的一个非常重要的协议：IP协议，相信很多人都对其有深的印象，一提到ip，就知道是用来定位一个人或者一个东西的，那么来到它的源头网路中，IP协议又是如何工作的呢？它是如何标识一台机器的？如何像tcp/udp协议一样负责数据上下层交付的？

        IP协议：网络号+主机号

        我们要清楚的是IP是有共有和私有之分的，共有IP只有一个，它处于公网中，是被所有机器共识的，但是私有IP可以有很多，但是要如何区分它们呢？如何进行很好的管理？ ——将网络分区，将网络分成一个一个小区域，并由一个小计算机来负责此区域的数据进出，此计算机就叫做路由器，将一个大的网络不断划分成很多小的网络，并且由很多路由器来管理，这样的话每个子网中都可以有重复的IP，它们彼此之前不会直接通信，不会造成IP冲突。

        所以IP的构成也就清楚了，也就是拿着所在的子网IP+唯一标识你主机的主机号构成IP，所以显而易见IP的存在就是为了使寻找某台主机更加高效准确。

2.IP解决什么问题

        我们知道TCP/UDP协议之于传输层中负责对数据如何传输做决策，由它们之中的各项变量来决定数据什么时候发，以什么格式发，发多少，那么既然有决策，就要有执行，所以网络层之所以和传输层属于上下层关系，那么很明显TCP/UDP协议和IP协议也就是决策/执行关系。

        IP负责将传输层交付下来的数据从A主机跨网络传送给主机B。

3.IP报头

        作为协议，IP也有其独有的报头，那么来看一下吧

        4位版本号 (version): 指定 IP 协议的版本 , 对于 IPv4 来说 , 就是 4.

        4位头部长度 (header length): IP 头部的长度是多少个 32bit, 也就是 length * 4 的字节数 . 4bit表示最大的数字是15, 因此 IP 头部最大长度是 60 字节。

        8位服务类型 (Type Of Service): 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 (total length): IP 数据报整体占多少个字节。

        16位标识 (id): 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 ( 保留的意思是现在不用 , 但是还没想好说不定以后要用到 ). 第二位置为 1 表示禁止分片， 这时候如果报文长度超过 MTU, IP 模块就会丢弃报文 . 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 (framegament offset): 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. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的 . 因此 , 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 ( 否则报文就不连续了 )。

        8位生存时间 (Time To Live, 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。

        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。

        选项字段( 不定长 , 最多 40 字节 ): 略。

4.IP为什么要分片

         在IP协议传输数据时，分片并不是大多数情况，所以我们清楚IP分片只是一种迫不得已的做法，那么在分片的过程中，IP做了什么动作，为什么要分片？

        IP协议中有一个字段标识数据的总长度，标识了要发送报文的总长度，所以只要不超过此字段的标识，就不会产生分片，但是如果一旦超过了，就要进行分片发送，也就是将数据分成几个数据包发送。

        那么在分片过程中，16位总长度一般以1480字节来作为最大长度，所以分片后每个IP包只能发送1480字节的有效数据，但是，不可忽视的是，在网络中每个数据包都是有报头的，例如TCP的三次握手和四次挥手，即使是简单的应答机制发送的也是一个完整的报文。

        所以即使IP最大发送的有效数据大小为1480字节，还要加上20字节的IP报头，我们都知道网络数据包自上向下封装，打包 - 解包这是最基本的操作，所以IP总大小也就是1500字节，也就是MTU（数据链路层一次可以在网络中发送的数据大小）。

        那么例如发送的数据为3400字节，在进行分片时，将会分成1480+20 1480+20 440+20，三个数据包。

        那么分片究竟有没有好处呢？我们都知道对于很多参与者的网络来说，网络其实是一个相对不稳定的环境，那么在这个环境中，如果报文分片后丢失了怎么办？

        如果有一个分片丢失，那么整个报文将会被丢失，一个都收不到，传输层认为是丢包，重传可能会提高丢包的风险。

        所以传输层一般不会建议分片，而是发送完整版报文，尽量不出现分片的情况。

5.13位片偏移

        我们能够看到，在IP报头中，有三个字段：16位标识、13位片偏移和3位标志。

        ①16位标识：有没有分片，不同报文标识符是不一样的，如果分片，标识符是一样的（聚在一起）

        ②13位片偏移：报文的有效载荷在原始报文的有效载荷中的偏移量（组合一起）

        ③3位标志：1位保留，1位标识禁止分片，1位标识更多报文（1：后面还有，0：后面没有），用来区分是否为最后一个报文，确认是否收全了所有的报文。

        那么在接收端组装的时候，都会采取升序排序。

        如果在传输过程中存在报文丢失，可以使用片偏移来确定哪个报文丢失，可以根据前后报文得知是哪个报文丢失。

        ①如果是第一个报文，13位片偏移为0，或者更多分片为1，那么就是分片报文。

        ②如果是中间的报文，13位片偏移不为0，或者更多分片为1，那么就是分片报文。

        ③如果是最后一个报文，13位片偏移不为0，或者更多分片为0，那么就是分片报文。

6.网段划分

        

        在IP中，因为世界上的人有几十亿，所以机器也有几十亿，网络IP如何划分就成了一大问题，那么在IP协议中，IP总共分为5类，分别为ABCDE类。

A类 0.0.0.0到127.255.255.255

B类 128.0.0.0到191.255.255.255

C类 192.0.0.0到223.255.255.255

D类 224.0.0.0到239.255.255.255

E类 240.0.0.0到247.255.255.255

        随着internet的飞速发展，这种网络的划分规则的弊端也越来越显现，大多数组指都申请一种网络，导致一种网络地址很快就被分配完了，而别的类别的地址则造成了大量的浪费。

        所以针对这种情况，又提出了一种新的网络划分方案，引入了一个新的概念：子网掩码。

        子网掩码不能单独使用，要配合IP使用，用来划分网络地址。

        子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

        子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。

        将子网掩码和IP地址进行按位与，得到的就是网络号。

        

        按位与后得到的子网地址是一个范围，此范围中的任何ip，都可以作为子网ip给子网中的机器使用。