【网络编程】详解 IP 协议：报头字段、路由器功能、网段划分和分片传输
文章目录
- 前言
- 一. IP的报头字段
- 二. 路由器的作用
- 三. 网段划分
- 四. IP分片发送
前言
在互联网时代，数据的高效传输依赖IP协议这一网络层核心基石。
IP协议的运行涉及多个关键环节：
- IP报头字段为数据包提供路由与传输的控制信息；
- 路由器如同网络“枢纽”，实现不同网络的互联互通；
- 网段划分平衡了IP地址管理与通信性能；
- IP分片发送则解决了跨网传输的MTU（最大传输单元）差异问题。
本文围绕这些核心主题展开，助力读者清晰理解IP协议的工作机制与网络通信的技术逻辑。
一. IP的报头字段
在网络协议栈中：传输层保证了数据传输的可靠性，像TCP协议中通过种种策略来保证数据可靠的传输，而网络层提供了一种能力，让操作系统能够将数据发送到网络中，从A主机送到B主机上。
下面我们先介绍以下IP报头中的各个字段：
以下是报头的示意图：
首先介绍几个先对不太重要的字段：
- 4位版本号：用来表示使用的IP协议是哪一个版本的，现在主流的就是IPv4和IPv6，对于IPv4要填写0100(二进制)，对于IPv6要填写0110；
- 8位服务类型：表示数据传输时，选择的路径方式：最小延迟，最大吞吐量，最小成本，最高可靠性；
- 8位生存时间：表示要将报文送到目标主机需要的最大报文跳数；通过该字段可以保证数据包不会因为一些原因，像硬件异常，软件故障，路由器配置错误等原因，导致报文在网络中无限转发；
- 16位首部(头部)校验和：用来检验接收到的IP报文是否完整。
接下来就是，IP报头中通过什么字段保证报头与有效载荷进行分离的：
- 4位首部长度(报头长度)：表示报头 + 选项以及后面填充字段的总长度，单位是4字节；
- 16位总长度：表示整个报文的总大小；
通过固定长度 + 自描述字段来让IP报文的报头与有效载荷进行分离。
IP报头怎么知道将自己的有效载荷交给上层的哪一个协议？
- 8位协议号：用来表示将自己的有效载荷将给上层的哪一个协议。
源IP和目的IP就不用说了。
关于第二行中的三个字段，在后面“IP分片发送”中进行介绍。
二. 路由器的作用
在进行跨网段传输的过程中，路由器是不可缺少的，也是家庭联网的必备设备；下面对路由器的功能进行以下详细介绍。
- IP地址包含两个部分：网络号 + 主机号；
网络号：保证相连的两个网段具有不同的标识；
主机号：保证在同一个局域网中的主机(联网设备)具有唯一的标识。
路由器的作用的负责连接两个或多个相邻的子网。
- 路由器本质上也是子网中的一台主机，也需要进行IP地址的配置，路由器一般是一个子网中的第一台联网设备，因此其IP地址形式上是：网络号.1；
- 路由器要能够连接两个甚至多个子网，说明路由器一定包含两个或多个IP地址(可以简单理解为路由器中有多个网卡)；
- 路由器不仅仅能对IP报文从一个局域网转发到另一个局域网，并且路由器还负责对子网的构建工作。
关于这三点，在后续内容中会详细解释其原因。
三. 网段划分
在前面我们说过IP地址 = 网络号 + 主机号；
- 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起；
- 如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复；
通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。
但是手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情，有一种技术叫做DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP 地址，避免了手动管理 IP的不便。一般的路由器都带有 DHCP 功能。因此路由器也可以看做一个DHCP 服务器。
那么IP地址是如何进行划分的呢，那些位标识网络号，那些位又表示主机号？？？
对于IP的划分早期是使用分类划分的方法：
直接将IP地址划分为5类，将每类的网络号和主机号的区域直接定义出来，再通过IP地址前面二进制中第一个为0的位置来看是哪一类IP地址。
对于IPv4使用4个字节也就是32个比特位来表示一个IP地址，最多可以又43亿多个IP地址，在当今社会中这种数量的IP地址是不够用的，因为每一个联网设备都需要分配一个IP地址。
在上图中将，网络号与主机号分配死，就会导致一个子网在选择了IP类型后，其中的联网设备的个数就是确定的了，如果子网中设备增加就需要重建子网，如果子网中的主机号比较少，使用不完IP地址就会导致IP地址被浪费，现在IP地址就不够用，还有浪费这是不可容忍的。
此时就出现了另一种划分方式，是对上面划分方式的一种优化：
引入子网掩码来区分网络号和主机号。
子网掩码：是一个32位的整数，通常用一串"0"结尾。
将IP地址和子网掩码进行“按位与”操作得到网络号，具体操作看下图：
通过子网掩码就可以实现将：网络号与主机号进行分离。子网掩码可以对IP地址进行任意划分，这也就可以实现对一个子网中的主机的个数进行任意划分，根据子网中主机的个数动态的划分IP地址，减少IP地址的浪费。
一般子网掩码的写法是：ip/n表示子网掩码的前n个比特位是1；
上述的方法减少了IP地址的浪费，但是43亿的IP地址随着社会的发展，联网设备越来越多还是不够用，因此我们需要考虑如何解决IP地址不足的问题：
- IPv4地址不足主要是因为使用的比特位比较少，可以采用IPv6用128个比特位来表示一个IP地址，我国的IPv6技术在全球上是最领先的；但是因为IPv4使用时间比较长，有很大区域/国家并没有转而使用IPv6；
- 动态分配IP地址：只给接入网络的设备提供IP地址，对于没有接入网路的设备不提供IP地址；
- NAT技术，关于NAT技术，将在后面的数据链路层的文章中详细介绍。
四. IP分片发送
- 在局域网通信中，我们主机在进行发送，其他主机也有可能在进行发送，这就有可能导致数据碰撞，导致数据丢失或数据不完整。而如果一个报文越大，发送主句碰撞的几率就越大；
- 我们的IP保证向下交互，交给数据链路层，由数据链路层进行发送。
因此数据链路层就要求：上层不能给我交互太大的报文；
因此如果网络层，TCP，UDP交给IP传输层的数据包太大，IP层要进行分片发送。对方的IP层接收到报文后，再进行组装，组装完成后交给上层。
如果IP层进行分片，对方IP层怎么知道，那些IP分片属于一个IP报文？？？
此时就需要IP报头中特定字段的实现：
- 16位标识：对每一个不同的IP报文进行编号，16位标识一样的分片属于同一个IP报文；
每一个IP分片在网络中传输的速度是不一样的，那么对方怎么知道分片的先后顺序，也就是说对方怎么将其组装起来？？？
- 13位片偏移：当前分片对于整个IP报文起始位置的偏移量。
对方接收到多个IP分片，能够对其进行排序了，但是怎么知道后面还有没有报文，换句话说就是对方IP层，怎么知道哪一个是IP报文的最后一个分片？？？
- 3位标识：第一位已经被废弃了，不进行使用；第二位标识该报文是否进行了分片，即是一整个报文，还是一个报文的一部分，0标识是；第三位，结束标识，但是报文是最后一个小包，0标识是。
怎么报文所有小包聚集在一起，即如果中间有一个小包丢失了，对方IP网络层知道吗？？？
- 第一个报文丢失：所有小包中没有片偏移为0的报文；
- 中间位置丢失：在将小包进行排序完的时候，比较所有小包的和(除去最后一个小包)与最后一个小包的片偏移量是否一样，如果不一样，则由丢失；
- 最后一个报文丢失：所有接收到的报文中没有3位标识的第三位位0的。
虽然IP可以对IP报文进行分片，但是我们并不建议这种分片的操作。
因为如果一个分片丢失了，要对所有的分片进行重发，这样就一定会导致对于对方本来已经接收到的数据也要进行重发，使得效率降低。
因此我们一般建议不再网络层进行分片，而是在传输层就对要发送的数据进行分片划分操作，比如TCP滑动窗口中的分段发送。