网络编程—TCP/IP模型（IP协议）

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目录

1 网络层

2 IP协议

3 IP地址

3.1 IP地址分类

3.2 特殊的IP地址

3.3 解决IP地址不够用

3.3.1 IPV6

3.3.2 DHCP动态分配IP地址

3.3.3 NAT IP地址转换

3.4 路由选择

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1 网络层

        IP协议属于网络层，网络层协议的工作：1.地址管理2.路径规划。

2 IP协议

        4位版本：目前只有4和6，即IPv4和IPv6。IPv4地址32位，IPv6地址128位。

        4位首部长度：单位4字节，故4位首部长度可以表示15*4=60字节，其中固定首部的长度为50字节，因此选项长度最多40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：单位字节，总长度=首部长度+数据载荷（传输层数据报）。注意：虽然此处长度做了限制，但这不意味IP数据包遇到数据很多的传输层数据报就无法传输，实际上IP数据包可以进行拆包和组包，拆包和组包的相关字段和标识、标志、片偏移有关。

        16位标识：唯一标识主机发送的数据报文，IP数据包的拆包（又被称为分片）和组包行为不由网络层控制，而是由数据链路层控制。数据链路层如果对IP数据包分片，那么多个分片后的包属于同一个IP数据包，因此16位标识一致。

        3位标志：第一位保留。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“是否还有更多分片”，如果还有分片，置为1；如果没有分片了则是0，类似于一个结束标记。

        13位片偏移：当前分片相对于原始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（TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64（如果是国外的地址，一般是128）。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。

        比如ping百度的地址，百度服务器发送的报文经过64-49=15跳（15次转发）到达本主机。

        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。数据部分的校验由传输层负责。

        32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端的IP地址。

3 IP地址

        以IPv4为准，IP地址由32位二进制数表示，每8位二进制用“.”分割，共分成4部分，每部分表示一个字节，范围为0-255。

3.1 IP地址分类

        这里不介绍传统的ABCDE类地址的分类方法（太浪费了，实际中也不用）。实际中使用的是CIDR划分方法，CIDR引入子网掩码，作用是表示IP地址哪部分是网络号，哪部分是主机号。子网掩码32位，网络号部分全是1，主机号部分全是0，如下所示：

        同一个局域网内（内网）的设备，网络号一样，主机号不一样；相邻局域网的网络号不一样（网络号一样就属于同一个局域网了）。

3.2 特殊的IP地址

        1.网关IP：意思是一个局域网的入口/出口，通常是主机号为.1的IP作为网关IP。

        2.网络号：主机号为.0的IP，表示这个局域网的网络号，因此该IP不会分配给局域网的主机作为IP地址使用。

        3.广播IP：主机号为.255的IP，表示广播IP，向这个IP发送数据，该局域网内的所有设备都会收到。

        注意：为什么UDP可以实现广播，TCP不可以？UDP不需要连接，把数据报直接向这个IP发送，就可以实现广播；而TCP需要建立连接，但是广播IP没有实际的设备，即TCP向这个IP发送建立连接信息，没有设备会应答，因此连接不会建立成功，难以实现广播。

        4.本地环回IP：127.0.0.1/127.*，表示主机自己，每台主机都有一个虚拟的表示环回IP的网卡，因此可以实现自己访问自己。

        5.内网IP：10.*、172.16.*-172.31.*和192.168.*，这三类IP都属于内网IP。

        6.外网IP：除了内网IP外，其余的都是外网IP。

        32位IP地址最初的设计是为了唯一表示世界上所有主机设备的地址，因为32位可以表示4294967296，这在当时看来是非常庞大的数字，但是如今手机、电脑、物联网等各种可上网设备越来越多，这些地址也就不够用了。如何解决IP地址不够用问题？就有了以下三种方式：

3.3 解决IP地址不够用

3.3.1 IPV6

        IPv6地址为128位，比IPv4地址32位大2^96倍，为地球上每一个沙子分配一个IP都绰绰有余。但是IPv6与IPv4不兼容，而市面上大多数网卡设备等目前仍使用IPv4，因此对于IPv6不做过多研究。

        IPv6还有个作用，有了IPv6访问外网就不需要NAT地址转换了。

3.3.2 DHCP动态分配IP地址

        当设备需要上网时，向DHCP服务器发送请求，由DHCP服务器分配可用的IP地址，不上网时就不分配IP地址。但是这种方法治标不治本。

3.3.3 NAT IP地址转换

        把IP地址按局域网和广域网分为内网IP和外网IP，不同内网中的IP可以重复，外网IP不能重复。

        观察下图的内网IP和外网IP，体会不同局域网的内网IP可以重复，相邻的局域网网络号不同（因为路由器把相邻的两个局域网连接起来），同一个局域网的网络号相同的含义。

        假设主机1想要上网看视频，主机1向视频平台发送请求，源IP是自己的内网IP192.168.0.10，目的IP是视频平台的IP3.3.3.3。IP数据包转发过程可能经历多个路由器（上图进行了简化），每经过一个路由器，NAT机制就会将源IP改为自己的转发IP（WAN口出去的IP），同时记录下地址的映射（包是从哪来的），因此最终视频平台看到数据包的源IP并不是主机1的IP，而是上一条路由器的IP。通过NAT机制，视频平台不会将返回的响应错误发送给局域网3的主机3（和主机1的IP相同），而是原路返回。

        因此，NAT机制的本质是：用一个外网IP代替多个内网IP，从而节省了IPv4的地址的使用。

3.4 路由选择

        路由器内部会维护一张路由表，路由选择的方式类似“问路”，采用一跳一跳的方式进行，当数据包传入时，路由器会根据目的IP在路由表搜索下一跳地址，如果匹配到相应的信息就转发数据包到下一跳；如果没有匹配到就选择默认的下一跳地址转发（路由表的默认选项配置）。

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