计算机网络——IP协议

前言 

网络层的主要负责地址分配和路由选择,ip负责在网络中进行数据包的路由和传输。

IPv4报文组成（了解）

1. IPv4首部：IPv4首部包含了用于路由和传输数据的控制信息，其长度为20个字节（固定长度）。

   • 版本（Version）：表示使用的IP协议版本，通常为4。如果版本号是6，则ipv6
   • 4位首部长度（Header Length）：表示IPv4首部的长度，以4字节为单位。4个比特位表示的数字范围0~15，有选项（0~15）*4
   • 8位服务类型（Type of Service）：可以让ip协议切换形态。有1位保留位（必须设置成0），4位tos标志位，3位优先权字段。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。指定了数据包的优先级和服务质量要求。最小延时：尽可能快的传输数据包以减小传输延时；最大吞吐量表示数据包的传输速率被最大化以提供高效的数据传输。最小成本表示通过降低带宽和资源占用来减少成本。4选一
   • 16位总长度（Total Length）：表示整个IP数据报的长度，包括首部和数据部分。ip协议确实存在64kb的限制，但是它自身支持拆包和组包
   • 16位标识（Identification）：用于将分片的数据包进行重新组装时的标识。
   • 3位标志（Flags）：包括3位，用于指示是否进行数据分片以及分片的位置。3位标志中有1位允许拆包，还有一位表示是否允许拆包。
   • 13位分片偏移（Fragment Offset）：指示分片在原始数据报中的位置。
   • 生存时间（Time to Live）：表示数据包在网络中可以经过的最大跳数，每经过一个路由器减1。单位次数。如果数据包已经把ttl耗尽了，还没到达就会被丢弃。数据包构造出来的时候，ttl会被设置成一个初始值32，64.....
   • 协议（Protocol）：指定了数据部分即载荷使用的上层协议，如TCP、UDP等。
   • 首部校验和（Header Checksum）：用于检测IPv4首部在传输过程中的错误。载荷中udp或者TCP都有自己的校验和方法。
   • 源IP地址（Source IP Address）：表示数据包的源地址。
   • 目标IP地址（Destination IP Address）：表示数据包的目标地址。

2. 可选字段（Options）：IPv4首部中可以包含一些可选字段，用于提供额外的功能或进行特定的处理。可选字段的长度是可变的，因此必须使用首部长度字段来确定首部的结束位置。

3. 数据部分：数据部分是传输的实际数据，它的长度可以根据需求而变化

IP 地址是一个 32 位的二进制数，2^32=42亿9千万，通常被分割为 4 个 “8 位二进制数 ” （也就是 4 个字节），如：

01100100.00000100.00000101.00000110 。

通常用 “ 点分十进制 ” 的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（ a,b,c,d 都是 0~255 之间的十进制整数）。如：

100.4.5.6 。

地址管理

地址管理描述设备在网络中的那个位置。ip地址是32位整数，2^32=42亿9千万，并不够用。理论上IP地址不能重复。

1. 动态分配;

2. NAT机制（网络地址转换）

 让一个IP地址代表一批设备,NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。相当于一个中转站，内部存有映射表。用于将一个网络的IP地址转换成另一个网络的IP地址。NAT通常在路由器上实现，给设备分配·私有地址，当这些内部设备要发送数据到外部主机或者服务器，路由器将私有IP地址转换为公共IP地址，并且使用端口号进行标识，当数据回来的时候，再把共有地址转变为私有地址，私有地址是不能被共有地址直接访问的，以便在私有网络上使用Internet。当数据返回回来，路由器需要结合端口号（区分不同的主机）知道返回给哪个主机，路由器也可以把相同端口号替换成不同的端口号。

   1)内网（局域网）IP 192.168/172.16

在同一个局域网，IP不能重复；不用局域网，IP可以重复

  2)外网（广域网）IP必须唯一

nat机制+动态分配可以用来解决ip不够用的情况，除非局域网内同一时刻访问同一服务器超过了65535，nat可能会不够用。nat是纯软件的方案！因为nat，局域网内部的机制可以主动去访问外网的设备，而外网设备不能主动访问局域网的设备

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IPv6

用16字节128位来表示一个IP地址，2^128二进制转十六进制，能够大大缓解IP地址不足的问题。但IPv6并不是IPv4的简单升级版，它们是互不相干的两个协议，彼此并不兼容，目前已经70%升级了。

 ip网段划分

网络号（标识一个局域网）+主机号（局域网中的设备）

IP地址组成为：网络号+子网号+主机号

子网掩码

之前我们使用五类划分，当前都是子网掩饰

 在cmd窗口输入ipconfig

无线局域网适配器 WLAN:

   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::be76:c0d0:8d69:c6f8%20
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.8.192
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.8.1

其中子网掩码255.255.255.0，这·也是32位整数，左边全是1，右边是0，不会1,0交替出现。

1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000，

被标记为1的就是网络号，1的个数根据实际定。

如果一个IP地址的主机号全是0，那他表示网络号。eg:192.168.100.0

如果一个ip地址主机号全是1,那他就是个广播地址。使用UDP socket给这个地址发送udp数据报，此时局域网内所有设备都能收到这个数据报。eg:192.168.100.255

如果以127开头的ip就是环回IP，eg:127.0.0.1就是发送给自己设备的，这个是操作系统提供了一个特殊的虚拟网卡关联到这个ip上。

路由选择

描述ip数据报的转发过程。

是 探索式 的过程......

一个网络层数据报，每次到达一个路由器，都会进行一个类似“问路”的操作。每个路由器内部都有一个路由表的数据结构，根据目的IP，去查询路由表，

如果查到了，就按照路由表给定的方向（从哪一个网络接口进行转发），继续转发；

如果没查到，路由表里有一个默认的选项，就是下一跳地址，按照默认的表项继续转发；

IP 地址描述的是 路途总体的起点和终点 ；是给人使用的网络逻辑地址。

MAC 地址描述的是路途上的每一个区间的起点和终点，即 每一跳的起点和终点 ；是给网络硬件设 备使用的网络物理地址

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