IP 协议的相关特性

目录

正文：

1.概述

2.协议头的格式

3.地址管理

3.1网段划分

3.2特殊的IP地址

3.3 IPv4的限制和解决办法

4.路由选择

总结：

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正文：

1.概述

IP 协议是一个网络层协议，负责在不同网络之间传输数据包。它定义了数据包的格式、路由和传输规则，确保数据包能够正确传递到目的地。IP 协议为每个连接到互联网的设备分配唯一的 IP 地址，以便设备之间能够相互通信。

2.协议头的格式

4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4。
4位头部长度(header length): 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(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位标志字段: 第一位保留。 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。
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。

3.地址管理

IP 地址管理是指对 IP 地址资源的分配、管理和配置，以确保网络设备能够正确地进行通信并正常运行。

3.1网段划分

网段划分是指将一个大型网络划分为若干个较小的子网，以便更有效地管理网络和提高网络性能。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。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。为了方便划分相应的划分方案CIDR便出现了。

CIDR:

• 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;

子网掩码（Subnet Mask）：

• 子网掩码用于将 IP 地址划分为网络地址和主机地址两部分，确定子网的大小。
• 子网掩码是一个 32 位的二进制数字，通常用点分十进制表示，与 IP 地址相匹配。
• 例如，子网掩码 255.255.255.0 对应二进制为 11111111.11111111.11111111.00000000，表示网络地址为前 24 位，主机地址为后 8 位。

网段划分的目的：

• 提高网络安全性：通过不同的子网划分，可以隔离不同部门或功能的设备，减少网络攻击风险。
• 优化网络性能：根据不同子网的需求分配带宽和资源，降低网络拥堵和延迟。
• 简化网络管理：将网络划分为多个较小的子网，有效管理和维护每个子网，减少冲突和管理复杂度。

通过合理的网段划分，可以有效地管理和优化网络资源，提高网络的安全性、性能和管理效率。

3.2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;

3.3 IPv4的限制和解决办法

IPv4 地址长度为 32 位，最多可表示约 43 亿个独立地址，但随着互联网的普及和设备数量的增加，IPv4 地址不足已经成为一个问题。

解决方法：

1. 网络地址转换（NAT）：

   • NAT允许多个设备共享一个公网IPv4地址，通过在私有网络和公网之间转换IP地址来实现。
   • 这极大地缓解了IPv4地址的短缺问题，但牺牲了端到端的连接性和一些服务的实现。

2. 私有IP地址的使用：

   • 在内部网络中使用私有IP地址，只在需要与外部网络通信时才使用公网地址。
   • 这可以减少对公网地址的需求。

3. 地址回收和再利用：

   • 对不再使用的IPv4地址进行回收，并重新分配给需要的组织或个人。
   • 这需要有效的地址管理策略和工具。

4. IPv6的部署：

   • IPv6是下一代IP协议，使用128位地址，提供了几乎无限的地址空间。
   • 逐步迁移到IPv6是解决IPv4地址耗尽的根本办法。

4.路由选择

路由选择是指在网络中确定数据包传输的路径的过程。路由的过程实际上是通过一跳一跳的方式实现的，所谓 "一跳" 就是数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

IP数据包的传输过程也和问路一样：

• 当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
• 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;
• 依次反复, 一直到达目标IP地址;

在节点中维护了一个路由表用来判断这个数据包应该发送到哪里。

路由表：

路由表是路由器中的一个重要数据结构，用于存储路由选择器（router）使用的路由信息。路由表包含了网络中可达目的地的信息，以及到达这些目的地的最佳路径。路由表的主要作用是帮助路由器决定将数据包传输到网络中的下一跳路由器或者下一跳网关。

路由表的具体内容包括以下重要的字段：

1. 目的地址（Destination Address）：指定数据包的目的地 IP 地址或者网络地址。

2. 下一跳地址（Next Hop Address）：指定数据包传输到目的地地址时下一个路由器的 IP 地址。

3. 接口（Interface）：指定从路由器传输数据包到达下一个路由器的接口，通常是路由器的物理接口或者虚拟接口。

4. 跳数（Hop Count）：指定从源地址到目的地址经过的路由器数目。一般用于距离向量路由协议，如 RIP。

5. 开销（Cost）：指定到达目的地址的路径的开销或者代价。开销可以是距离、带宽、延迟等衡量路由优劣的指标。

在进行路由选择时，路由器会根据接收到的数据包的目的地址，查询路由表中与目的地址匹配的条目，并选择最佳路径进行数据包的转发。通过不断更新路由表中的信息，路由器可以实现有效的数据包转发和网络通信。

总结：

IP 协议作为因特网中相当关键的网络层协议之一，它确保了数据包在网络中的传输和路由选择，为不同网络设备的连接提供了基础支撑。