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网络层--IP协议

news 2025/12/11 9:32:19

引入：

IP协议主要解决什么问题呢？

IP协议提供一种将数据从主机Ａ　发送到　主机Ｂ的能力。（有能力不一定能做到，比如小明很聪明，可以考100分，但是他也不是每次搜能考100分，可靠性由传输层来解决）

ＩＰ协议基本概念

主机　：　配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备;

路由器：　即配有IP地址, 又能进行路由控制;

节点　：　主机和路由器的统称。

ＩＰ协议头格式

　　1.　如何封装和解包呢？

定长报头+自描述字段（4位首部长度）

　　2.　如何交付？（如何确定交付的协议）

8位协议：标识ＵＤＰ还是ＴＣＰ

4位版本：

确定是ＩＰｖ６还是ＩＰｖ４

４位首部长度

ＩP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. （基本单位是4字节）4bit表示最大

的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节.　当4位首部长度值为　0101　时表示没有选项（20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(total length):

IP数据报整体占多少个字节.

16位标识(id):

唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个

id都是相同的.

3位标志:

第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 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"更多分片", 如果分片了的话, 最后一个分片置为1, 其他是0. 类似于一个结束标记

13位分片偏移(framegament oﬀset):

是分片相对于原始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(Time To Live, TTL):

数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 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。

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.出错就会丢弃报文。

32位源地址和32位目标地址:

表示发送端和接收端.

选项字段(不定长, 最多40字节):

分片：

链路层因为其物理特性的原因，一般不会一次性转发太大的数据＝＝＞也就是说：

链路层有一次可以转发到网络中的报文大小的限制，一般是1500（ＭＴＵ），所以网络层需要将一个较大的ｉｐ报文拆分成多个小的，符合条件的报文，这就是分片。

分片的行为是网络层完成的，上层的传输层和应用层并不知道，（这在一定程度上埋下隐患），同样组装的行为也必须由对方的网络层完成。

　　　为什么呢？

原因可以分为2个：

　　1　、对方给自己的是一个完整的ＴＣＰ报文，那我自己上传输层交付时也必须是一个完整ＴＣＰ报文；

2　、协议具有一致性，ＩＰ协议负责分片和组装不会影响其他层的服务。

分片决定了网络层IP协议具有3种能力

1.　具有区分不同报文的能力　　　　　－－－－16位标识符

2.　具有判断报文是不是分片的能力　　－－－－“更多分片”

3.　异常处理　　　　　　　　　　　　－－－－任何一个分片丢失，都可以识别出来

　　怎么做到分片的呢？

３位标志中有一位是保留的，第2位为1时表示禁止分片，如果报文长度超过ＭＴＣ，ＩＰ就会丢弃报文。第3位　表示　“　更多分片　” ，如果分片了的化，最后一个分片置为　0，　其他是　1，类似一个结束标记。

认识偏移量

开始：　更多分片　1　，片偏移　＝　0

结尾：　更多分片　0　，片偏移　≠　0

中间：　更多分片　1　，片偏移　≠　0

　　中间那么多的分片，如何确定所有分片都收到了呢？

根据偏移量进行升序排序，结合偏移量+自身大小＝下一个报文的偏移量，通过扫描整个报文，来进行判断，如果不匹配，则说明报文出现了丢失，需要重新发送，如果成功遍历到结尾，则表明收取到了完整的报文。

分片之前，报文一定是一个完整的报文，分片之后，每一个分片也有单独的ＩＰ报头

下面简单分析一下分片过程

假设ＭＴＣ＝１５００

原本的整个报文数据大小是　3000　，（注意：　IP报文＝ＩＰ报头+有效载荷）

第一步，先分一个1500的数据块，直接拿走原本的报头（实际可能更复杂哈）　，

剩下的1500的数据并不是可以直接就成为一个分片，还要添加报头信息（20字节）为了支持未来的组装，每一个分片都必须有ＩＰ报头，所有分割1480的大小，再添加20字节的报头，最后一个分片包含20字节的报头和20字节的有效载荷。

我们再来分析一下这三个报文

报文编号	1	2	3
16位标识	1234	1234	1234
3位标志“更多分片”	1	1	0
13位片偏移	0	1500	2980
总长度	1500	1500	40

分片的坏处

之前我们提到在网络层进行分片和组装，上层是不知道的，同时，我们也应该有这个常识：

丢包是有概率的，分包会增加报文个数，在一定程度上增加了丢包的概率。，要彻底解决丢包问题，还得依靠　传输层。当然这也决定了分片不是主流。

网段划分

IP 地址分为两个部分 , 网络号和主机号

网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识 ;

主机号: 同一网段内 , 主机之间具有相同的网络号 , 但是必须有不同的主机号 ;

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 .

那么问题来了 , 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 .

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案 , 把所有 IP 地址分为五类 , 如下图所示

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

随着 Internet 的飞速发展 , 这种划分方案的局限性很快显现出来 , 大多数组织都申请 B 类网络地址 , 导致 B 类地址很快就

分配完了 , 而 A 类却浪费了大量地址 ;

例如 , 申请了一个 B 类地址 , 理论上一个子网内能允许 6 万 5 千多个主机 . A 类地址的子网内的主机数更多 . 然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况 . 因此大量的 IP 地址都被浪费掉了 .

针对这种情况提出了新的划分方案 , 称为 CIDR(Classless Interdomain Routing):

引入一个额外的子网掩码 (subnet mask) 来区分网络号和主机号 ;

子网掩码也是一个32 位的正整数 . 通常用一串 "0" 来结尾 ;

将 IP 地址和子网掩码进行 " 按位与 " 操作 , 得到的结果就是网络号 ;

网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、 B 类还是 C 类无关 ;

示例1

可见 ,IP 地址与子网掩码做与运算可以得到网络号 , 主机号从全 0 到全 1 就是子网的地址范围 ;

IP 地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法 , 例如 140.252.20.68/24, 表示 IP 地址为 140.252.20.68, 子网掩码的高24位是 1, 也就是 255.255.255.0

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 (loop back) 测试 , 通常是 127.0.0.1

引入：