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深入解析 IP 协议：从基础核心机制到地址管理、路由选择的全方位指南

news 2025/11/12 12:44:52

目录

  • 一、IP 的基础核心要素
    • 1. IP 的协议定位：在哪一层？
    • 2. 网络层做什么
    • 3. IP的基本概念
    • 4.IP的协议头格式
  • 二、地址管理
    • 1. 动态地址分配ip
    • 2. NAT机制 （网络地址转换，当前网络世界最主要的方式）
      • IP地址划分
      • NAT机制的作用
      • NAT背景下，网络通信如何进行的？
        • 1.同一个局域网下，设备A访问设备B
        • 2. 公网设备A访问公网设备B
        • 3. 不同局域网，设备A访问设备B
        • 4. 局域网设备A访问公网设备B
        • 5. 公网设备A访问局域网设备B
    • 3. 使用IPV6协议
    • 4. IP地址的其他划分
      • 网段划分
      • 网络号和主机号的配置
      • 特殊的IP地址
  • 三、路由选择
  • 四、最后说一下

一、IP 的基础核心要素

1. IP 的协议定位：在哪一层？

在TCP/IP 四层模型中，IP 协议位于网络层，上接传输层（如 UDP,TCP 等传输层协议），下连数据链路层
在这里插入图片描述

2. 网络层做什么

IP位于网络层，网络层主要做的事情就两个

  1. 地址管理：使用 IP 地址,这样的概念,标识网络上的某个设备的位置
  2. 路由选择：在两个通信的节点之间,规划出一个合理的路径

3. IP的基本概念

在这里插入图片描述

  1. 主机:配有IP地址,但是不进⾏路由控制的设备
  2. 路由器:即配有IP地址,⼜能进⾏路由控制
  3. 节点:主机和路由器的统称

4.IP的协议头格式

在这里插入图片描述

  1. 版本（4位）
    标识ip协议版本（商用主要有ipv4，ipv6。开发阶段主要针对ipv4，本篇讲解ipv4为主）
  2. 首部长度（4位）
    IP协议的报头，表示指示 IP 首部的总长度（含选项字段），和TCP的协议报头也是一样的，单位也是以4字节为单位，总长为0xF(15)*4 >= 60
  3. 服务类型（TOS，8 位）
    决定了ip协议的工作方式，8位服务类型：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

IP可以切换工作状态：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本
工作状态也有 api 可以用来设置开发中很少直接涉及到咱们 Java 程序员主要写 web 类应用

  1. 总长度（16 位）
    单位为 “字节”，表示整个 IP 数据报（首部 + 数据）的总长度,总长为64K

总长为64K不是和UDP一样吗，岂不是很容易满，但是IP和UDP不一样的是，IP协议内置了拆包组包的功能，由标识，标志，片偏移相互协作，比如,IP 携带一个比较大的 TCP 数据报,IP 协议就会自动拆成多个,通过多个 IP 数据报共同传输一个 TCP 数据报

  1. 标识（16 位）
    拆包: 把拆出来的多个包,设为相同的标识
    组包: 把相同标识的数据包组合到一起

  2. 标志（3 位）
    其中一个标志位,表示是否触发了拆包操作还有一个表示,当前包是否是最后一个

  3. 片偏移（13 位）
    描述了先后顺序，偏移小的放前面,大的放后面

  4. 生存时间（TTL，8 位）
    一个IP 数据报,能够在网络上传输的最大时间

注意这个时间不是平时我们所见的时间单位，而是“次数”为单位
IP 数据报每次经过一个路由器转发一次,TTL 的值就-1，TTL减到 0,就说明包到不了,就要被丢弃掉
用次数作为单位的合理性体现在：如果你发了一个错误的数据报（目的ip地址错误），无论如何都到达不了目的地，但是包肯定不能无线传输
在这里插入图片描述
但是有没有存在一种可能，通过64转发还是到达不了目的地呢，64会不会太少呢？
理论上存在，实际上可能性不大
1.初始值可以发送改变不一定都是64，可以发生变化
2.网络中,有一个“六度空间"这样的理论~~ 两个设备之间,不需要那么多次转发,就足够了

  1. 协议（8位）
    标识传输层使用哪种协议

分用的时候,IP 协议解析 IP 数据报的时候,拿到载荷,交给上层处理此处 8 位协议编号,就能起到区分效果
传输层到应用层 =>端口号
网络层到传输层 =>8 位协议
数据链路层到网络层=>也有一个类似的协议编号的

  1. 首部检验和（16 位）
    仅校验 IP 首部的完整性（数据部分由上层协议校验（TCP,UDP自行校验））
  2. 源目IP地址和目的IP地址（IP协议中最核心的部分）
    分别标识发送方和接收方的 IP 地址，是 IP 寻址的核心标识。

IP 地址本质上是通过 32 位的整数来表示的,由于 32 位整数不方便阅读,通常会把 |P 写作点分十进制 表示方式用三个点,分出四个部分,每个部分两个字节长度（0~255）
在这里插入图片描述

二、地址管理

大家都知道到，要发挥ip地址的作用，肯定是都希望ip地址是唯一的，32位的ip地址最多能表示大约42亿9千万个不同的ip地址，够用吗？不够，在2025年的今天，上网的设备太多了，PC，服务器，移动设备和物联网设备等等，那咋办呢，这就引入了两个主要方法：动态地址分配ip 和 NAT机制

1. 动态地址分配ip

由DHCP（动态主机配置协议）服务器自动为网络中的设备分配 IP 地址的机制，简单的说就是，就是上网在分配，不上网就不分配

ip的数量还是有限的，只能有所缓解，但是还是治标不治本

2. NAT机制 （网络地址转换，当前网络世界最主要的方式）

IP地址划分

可以把所以的ip分成两大类：公网ip/外网ip，私网ip/内网ip

  1. 公网ip/外网ip
    公网ip是唯一的
    在这里插入图片描述

  2. 私网ip/内网ip
    以[10.* ] [172.16-172.31.* ] [ 192.168.* ] 为开头的ip地址
    在这里插入图片描述
    私网在不同局域网中可以重复，你家的局域网中与我学校的局域网就可能存在一样的私网地址，但是单独在我学校局域网中就不能重复这个私网ip地址

NAT机制的作用

在NAT机制下，可以用一个 外网 IP 对应到一系列的内网的设备，也就是让一个公网 IP 对应多个内网 IP，实现多设备共用一个公网地址访问互联网

一个设备有一个独立的局域网 IP(允许重复)
但是多个设备共用同一个外网 IP(不允许重复)

在这里插入图片描述
这就使得在有限的IP地址下，节省 IPv4 公网 IP 资源，让多个内网设备共用 1 个公网 IP 访问互联网，缓解 IPv4 地址枯竭问题

扩展
静态ip与动态ip
动态 IP：你的电脑查到路由器上,默认会通过 DHCP 机制,自动分配一个局域网 ip就可以上网了(自动分配,每次分的都可能不一样)
静态ip：手动固定分配，地址长期不变，稳定性高，适用于服务器、需要外网固定访问的设备
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NAT背景下，网络通信如何进行的？

1.同一个局域网下，设备A访问设备B

由于IP本身不允许重复，自然不受任何影响，NAT不起作用

2. 公网设备A访问公网设备B

由于公网IP本身也不重复，也不受影响，NAT不起作用

3. 不同局域网，设备A访问设备B

不允许的，NAT机制禁止这样的访问方式

4. 局域网设备A访问公网设备B

采用网络地址映射
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如果同一个局域网中，又来了个设备B，IP仍然转换为公网ip：10.1.1.1，端口号为：源端口号，返回响应的时候通过NAT 映射表 + 端口号识别，返回设备B
如果又来了个设备C且端口，碰巧和设备B一样怎么办，答仍然可以正常传输，NAT设备进行替换的时候，端口号是可以修改随意进行修改的
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5. 公网设备A访问局域网设备B

是不允许的，只能通过特殊的手段，比如内网穿透，VPN

3. 使用IPV6协议

IPv4 是使用 4 个字节作为 ，IP 地址IPv6而是使用 16 个字节作为 IP 地址，也是就说128个bit，足以应付全球范围内ip不够的问题

既然ipv6可以包含地球上所以的ip需求了，那为什么全球范围内普及率这么低呢

笼统的说，升级ipv6需要升级路由器设备，需要金钱的成本，而ipv4只需要给路由器的软件升级就可以了

4. IP地址的其他划分

网段划分

可以把一个IP地址划分成两个部分：
1.前半部分：称为“网络号”
2.后半部分：称为“主机号”
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同一个局域网中,网络号必须相同,主机号必须不同
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两个相邻的局域网中,网络号必须不同,主机号无限制

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网络号和主机号的配置

哪个部分是网络号,哪个部分是主机号是可以配置的
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上古时期的划分方式，现在已经不用了，了解一下即可
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特殊的IP地址

  • 将IP地址中的主机地址全部设为0,就成为了⽹络号,代表这个局域⽹
  • 将IP地址中的主机地址全部设为1,就成为了⼴播地址,⽤于给同⼀个链路中相互连接的所有主机发送数据包
  • 127.*的IP地址⽤于本机环回(loopback)测试,通常是127.0.0.1

三、路由选择

IP 协议中的第二个要点，通过IP 协议,进行数据转发的过程，转发的过程及其复杂，这变只讨论一下简化的模型

举个例子：
假设你住在城东小区，想去城西的市图书馆，且没有导航，只能 “问路”（对应网络中数据包通过 “路由器” 逐跳选路）：

  1. 从小区出发，问路人 A
    路人 A 知道图书馆在城西，建议你先坐 101 路公交往西走 —— 这就像网络中第一个路由器，根据目标位置给出 “第一跳” 的路径决策。

  2. 坐 101 路到中心广场站，问司机 B司机 B
    告诉你：在中心广场站下车，换乘地铁 3 号线 —— 这就像第二个路由器，基于当前位置和目标，指引 “下一跳” 的换乘（路径转发）。

  3. 坐地铁 3 号线到文化街站，问乘客 C
    乘客 C 告诉你：坐到图书馆站下车，再问路边行人 —— 这就像第三个路由器，继续细化路径，指引到更接近目标的节点。

  4. 出图书馆站，问店员 D店员
    D 告诉你：往南走 50 米，左转进小巷，再走一段就到了 —— 这就像最后一个 “边缘路由器”，直接指引到最终目的地。

每次问的时候,都会更接近
这里谈到的路由选择,对于路由器来说,也是这样的,网络环境非常复杂的环境,任何一个路由器,无法存储所有的网络信息的,但是每个路由器,是可以知道附近的网络情况(至少知道谁和他相连),当数据包到达某个路由器的时候就会匹配这个路由器的“路由表”(路由表就记录了这个路由器周围的设备的 IP 是啥,以及也会记录每个设备要通过哪个口转发过去)
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四、最后说一下

本章内容虽然面试可能不考，写代码可能也用不到，毕竟在网络层平时不直接接触，但是或许之后的搭建某个环境进行某些测试是就用到了，并且也对于程序员来说也属于”常识“类的内容，还是值得得花点时间来整理一下的，希望这篇文章能帮助到你们

在这里插入图片描述

http://www.dtcms.com/a/598477.html

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