Java EE(17)——网络原理——IP数据报结构IP协议解析(简述)

一.IP数据报结构

(1)版本：指明协议的版本，IPv4就是4，IPv6就是6
(2)首部长度：单位是4字节，表示IP报头的长度范围是20~60字节
(3)8位区分服务：实际上只有4位TOS有效，分别是最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本
(4)总长度：报头+数据部分。IP数据报最大长度为2^16字节，也就是64KB
(5)生存时间：单位是次数，防止数据在网络上无限转发，8个比特位表示IP数据报最多能在网络上转发128次

由上图可知，从我这里到美国政府官网IP数据报也仅仅转发了18次，所以8位生存时间完全够用
(6)协议：表示在传输层使用什么协议，UDP还是TCP还是其他？
(7)校验和：只针对IP报头进行校验，因为IP载荷部分有UDP/TCP进行校验
(8)源地址：发送方的IP地址
(9)目的地址：接收方的IP地址
(10)可选字段：主要是拓展功能，最大长度是40字节
(11)填充：保证IP报头的长度是4的整数倍

问题一：16位标识，3位标志，13位片偏移分别有什么用？

IP数据报最终是会传递给数据链路层再封装，但是由于物理条件的影响，数据链路层的载荷最大能携带1500(MTU)字节。虽然IP数据报载荷最大能携带64KB的数据，但由于下层的限制，必须在网络层进行拆分，数据到达接收方的时候再组装。而拆分和组装的过程就需要用到标识，标志，片偏移这三个字段
(1)16位标识：唯一标识一个IP数据报。同一个数据报的标识是一样的，便于区分哪些分区属于同一个数据报
(2)3位标志：

1.  第一位：保留位，必须为0(暂时用不到这个保留位，所以先设为0，方便以后使用)
   

2.  第二位：如果为1，表示该数据报禁止分片。当IP载荷超过MTU时就会丢弃该数据报，并且返回ICMP错误信息给源主机(发送方)
   

3.  第三位：如果为1，表示该数据报不是最后一个分片，最后一个分片为0
   

(3)13位片偏移: 指示当前分片在原数据报中的位置(以8字节为单位)

二.IP协议解析

2.1地址管理

IP地址是32位比特位，通常用点分十进制表示，比如(192.168.1.1)。IP地址一共有2^32个，大概是43亿个，看似是一个比较庞大的数字。但随着科技的发展，现在的智能家电也需要分配IP地址，这就导致IP地址逐渐不够用了，那么如何解决这一问题，有以下几个策略

2.1.1 动态分配IP地址

只给接入网络的设备分配IP地址，该设备每次接入互联网分配到的IP地址不一定是一样的，这样就避免IP地址一直绑定在某个设备上

2.1.2 NAT机制

将IP地址分为公网IP和私网IP，公网上的IP必须是唯一存在的，但是不同私网中可以存在相同的IP

基于以上的设定，必须要做出以下限制：
1.公网设备访问公网设备，无限制
2.局域网设备访问局域网设备(同一局域网)，也没啥问题
3.局域网设备访问局域网设备(不同局域网)，不允许
4.局域网设备访问公网设备，需要将局域网设备的私网IP替换为公网IP
5.公网设备访问局域网设备，不允许主动访问

2.2网段划分

IP地址由网络号+主机号组成
网络号：用于标识一个特定的网络，确定数据包应该被发送到哪个网络
主机号：用于区分同一网络中的不同设备
网络号的长度取决于IP地址的类型和子网掩码

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
但是按照上述规则来划分网络号和主机号有很大弊端
以B类地址为例，一个IP地址可以容纳2^16(六万多)主机，在现实情况中一个子网很难有拥有这么多主机，导致大量IP地址被浪费掉。面对IP地址本来就不够用的趋势，就有了新的划分方案

子网掩码

格式:也是32位比特位，通常使用点分十进制的形式表示

作用:子网掩码用于划分IP地址的网络部分和主机部分。例如，一个常见的子网掩码11111111.11111111.11111111.00000000(255.255.255.0)表示前24位是网络号，后8位是主机号
通俗来讲，从左到右(从高位到低位),1的个数就是网络号的个数，0的个数就是主机号的个数。将IP地址和子网掩码进行&运算，计算结果就是网络号

特殊的IP地址

(1)将IP地址中的主机号全设置为0，就变成了网络号，表示当前主机，该IP地址**不能分配**给某个主机
(2)将IP地址中的主机号全设置为1，就变成了广播地址。用于在网络中所有设备发送信息
(3)127.*地址用于本机环回测试，通常使用127.0.0.1

2.2路由选择

作用：路由器根据数据包的目的IP地址，选择一条合适的路径将数据包转发到下一个路由器，最终到达目的地
路由表：路由器内部维护的一张表，记录了到达不同网络或主机的路径信息。路由表包含目的地址、网络掩码、下一跳IP地址、输出接口等信息