网络层协议之 IP 协议

IP 协议格式

        4 位版本：此处的取值只有两个，4（IPv4）和 6（IPv6），即指定 IP 协议的版本。

        4 位首部长度：描述了 IP 报头多长，IP 报头是变长的，因为报头中的选项部分是可有可无的，此处的单位也是 4 字节（IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节）。

        8 位服务类型：实际上只有 4 位是有效的，这四位中只能出现 1 位是 1，其余的都是 0，因此就表示 IP 协议的四种形态 / 四种工作模式：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

        16 位总长度：描述了一个 IP 数据包的长度（头 + 载荷），16 位总长度意味着一个 IP 数据包最大只能支持 64KB，但是 IP 自身会支持对包的拆分和组装。虽然最大是 64KB，但实际情况进行拆分的单位往往比 64KB 小，这取决于数据链路层的情况。

        16 位标识：同一个数据拆成的多个包的标识都是一样的。3 位标志：就是一个代表结束的标志。13 位片偏移：标识了多个包的先后顺序。这几个字段都是辅助拆包 / 组包提供的。

        8 位生存时间：一个数据报在网络上能够传输的最大时间。这个时间的单位是 “次数”。一个数据报构造出来会有一个初始的 TTL 数值（比如 32、64），这个报每经过一个路由器转发，TTL-1，如果一直减到 0，还没有到达目标，那么就会认为这个报永远不会到达了，就会丢弃。

        32 位源 IP 地址、32 位 目的 IP 地址：表示发送端和接收端。虽然此处的 IP 地址是 32 位整数，但是我们平时看到的是形如 192.168.1.1 这样的一串数字，这是使用三个 . 来把 4 个字节 32 位数字给分成四个部分，每个部分分别使用 0-255 来表示，这称为：点分十进制。

        但是 32 位数字，只能表示 42亿9千万个数字，而全世界能上网的设备那么多，为了解决 IP 地址不够用的问题想出了以下方法：

1. 动态分配 IP 地址。把不在联网设备的地址分配给需要上网的设备。

2. NAT 网络地址转换，本质是使用一个 IP 代表一批设备。因此在 NAT 背景下，就把 IP 地址分成两大类：

        a）内网 IP（私有 IP），形如：10.* 、172.16.* — 172.32.* 、192.168.*

        b）外网 IP（公网 IP），除了上面的类型，剩下的就是公网 IP。并且公网 IP 必须是唯一的，但是私网 IP 可以在不同的局域网中重复出现。如果某个私网里面的设备想要访问公网的设备，就需要对应的 NAT 设备（路由器）把 IP 地址进行映射，从而完成网络访问；如果公网的设备无法直接访问私网的设备

        此时，只要这个电脑是经过运营商路由器转发给服务器的，那么服务器看到的源 IP 都一样；如果此时是多个电脑同时访问同一个服务器， 服务器的响应就会发回给路由器，然后路由器再根据这些电脑不同的端口号来进行区别，决定发给哪个电脑。

3. IPv6，从根本上解决了 IP 不够用的问题（使用 16 个字节表示 IP 地址）。但是想支持 IPv6 就得更换路由器等设备，这就导致成本的上升，因此就没有广泛的到使用。所以主要还是采用上述两种办法结合。但是在我们国家，IPv6 在 2018 年的时候工信部已经大力推行，现在绝大多数设备都支持 IPv6，只是还没开启而已。

地址管理

IP 地址分为两个部分，网络号和主机号

        网络号：标识网段。标识相互连接的两个网段具有不同的标识。

        主机号：标识主机。统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。

一个 IP 地址，为了区分网络号和主机号的界限，引申出了子网掩码。

此处的 255.255.255.0 就是子网掩码，左侧的都是 1，右侧的都是 0，1 的部分就描述了 IP 有多少位是网络号。网络号不一定是前三个字节，而是可以调整变化的。

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（192.168.1.0）

        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（192.168.1.255，使用 UDP 往这个地址上发送数据，整个局域网所有设备都能收到）

        127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1（用于测试程序是否能正常工作）

        主机号为 1，比如 192.168.0.1，一般是 “网关 IP”。网关就是类似于入口。

        本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输）， 对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

路由选择

        路由选择就是规划路径，核心就是边走边问。因为每个路由表都会保存一些周围设备的信息（路由表），所以每次有一个 IP 数据包经过路由器就会匹配路由表，看看下一步往哪走。如果有匹配的项，直接按照要求走；如果没有匹配的项，就会提供一个默认路径，即大体方向。每经过一个路由器，TTL-1，减到 0 还没到那么就会丢弃这个包。