计算机网络之IP协议（详解

网络层主管地址管理与路由选择。而IP协议就是网络层中一个非常重要的协议。

它的作用就是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

IP协议头格式

4位版本号(version)

指定IP协议的版本，目前只有两个版本：IP v4和IP v6.对于IP v4来说，这个值就是4.

4位首部长度(header length)

IP头部的长度是多少个32bit，也就是说length*4个字节数，4bit表示的最大数值是15，所以IP头部的最大长度是15*4=60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（必须设置为0）。

4位TOS字段分别表示：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，只能从中选取一个。相当于是根据需求切换形态，同一时刻只能取其中一种形态。

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数据报整体占了多少字节。（单个IP数据报最大长度不超过64k）

16位标识(id)

唯一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。

如果整个IP数据报太长了，IP协议就会把这个大包拆分成多个小包，保证每个包都不超过64k。

拆分成多个包，但是只有一个TCP报头。对于IP数据报来说，根本不关心载荷中是什么东西，只是单纯的对数据进行了切分处理。

如何区分多个IP包是从同一个数据拆分出来的？

使用16位标识，多个被拆分出的IP数据报的16位标识的值是相同的。然后通过13位片偏移来描述这些小包谁先谁后。

3位标志字段

第一位保留（保留的意思是现在暂时不用，但是说不定之后会用到）

第二位为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.类似于一个结束标志。

13位分片偏移

是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是表示当前分片在原报文中处在哪个位置。如果出现先发的包后到的情况, 也能确定目前包在原报文中的位置, 保证组包后数据的顺序不被打乱。

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位生存空间

数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。表示一个IP数据报还能在网络上存在多久，单位不是时间，而是转发次数。IP数据报被发送的时候，会有一个初识的TTL（常见的如128/64），IP数据报每经过了一个路由器，TTL就会-1.如果TTL减到了0还没到达，此时收到这个包的路由器就会把这个包抛弃。

这个字段主要用来防止出现路由循环（正常的IP数据报都会在既定的TTL内到达）。

8位协议

表示上层协议的类型（TCP/UDP）。

16位首部检验和

使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。只鉴别IP头部是否损坏，剩下的载荷有自己的检验和部分。

32位源IP地址和32位目的IP地址

表示发送端和接收端。

源IP表示发送人地址，目的IP表示收件人地址。

对于IP v4来说，一个IP地址本质上是32位的整数，通常会使用“点分十进制”，这样的方式来表示IP地址。点分十进制的三个点将32位整数分为4个部分，每个部分1个字节，每个部分的取值就是0~255。

给每一个设备都分配一个IP地址这个问题如何解决？

1.动态分配IP地址

让每个设备连上网的时候才有IP，不联网时就没有IP（这个IP可以给别人用啦！）

不能从根本上解决这个问题（设备未减少，IP地址未增加），治标不治本。

2.NAT机制

存在极限，端口号的极限个数为65535

让多个设备共有同一个外网IP。

NAT机制把网络分为了内网（局域网）和外网（广域网）。

要求外网IP必须表示唯一的设备，同时内网中的若干设备可以共用同一个外网IP。

结论：

• 对于一个外网IP，可以在互联网的任意位置都能访问到。

• 对于一个内网IP，只能在当前局域网内部访问到。局域网1的设备不能使用内网IP访问局域网2的设备。

• 内网IP可以重复出现，只有在当前局域网内才是唯一的。

• 若两个链接的IP地址来自于“同一个局域网”（源IP地址相同），此时要分别看他们的端口号。

• NAT不光会对IP调整成外网IP，同时也会对端口进行调整，如果端口不一样就算了，如果一样，就会调整成不同的端口。同时NAT会记录这个映射关系，保证服务器返回的数据，再按照这个映射关系给还原回去。

3.IP v6

从根本解决了问题！！！

IP v6在报头中使用了一个更长的字段来表示IP地址。

IP v6：16个字节，128位。2^128.

IP v4：4个字节，32位。2^32.

真正从根本上解决了IP地址不够用的问题。

IP v6和IP v4是不兼容的。对于一个设备要支持IP v4和IP v6是两个截然不同的机制。

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