IP协议报文

一.IP协议报头结构

二.IP协议报头拆解

1.4位版本

实际上只有两个取值，分别是4和6，4代表的是IPv4，6代表的是IPv6。

2.4位首部长度

IP协议报头的长度也是边长的，单位是*4，这里表示的大小为0~15，当数值为15时，报头长度位60，和TCP一样。

3.8位服务类型TOS

        8位服务类型TOS：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，这四者互相冲突，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。

i.最小延时：数据从A到B消耗的时间最短。

ii.最大吞吐量：数据从A到B单位时间内，传输的数据量最多。

iii.最高可靠性：IP协议并不会像TCP那样有严格的可靠性机制，但是IP一些机制也会影响到丢包的概率。

iv.最小成本：设备上减少消耗。

4.16位总长度

        IP数据报的总长度：16位总长度相当于2个字节，一个数据包最大才64KB，但是并不是说IP数据报只能传64KB的数据，它也能传输大的数据，因为IP协议内置了拆包组包的机制，会自动把大的数据包拆成多个IP数据报来携带数据，在接收方拼接。

5.拆包组包的属性

  i.16位标识：IP协议会自动拆包，同一个载荷的数据会被分成多份，交给多个IP数据报来携带，并且多个IP数据报之间，16位标识是相同的。

 ii.3位标志：只有2个有效，还有一个保留位。其中一个表示这个包是否需要组包（是否是拆包的一部分），另一个表示当前包是否为组包中的最后一个单位。

iii.13位片偏移：决定组包时数据报的位置。（防止后发先至）

6.八位生存时间（TTL）

  

        8位生存空间这个指的是一个IP数据包最久存活的时间，但是这个不是按时间来进行计算的，而是通过路由器转发的次数来进行计算（经过交换机不会扣次数），而TTL是有转发次数的限制的，当发送一个IP数据报的时候会有一个TTL的初始值（32,64,128...），数据每经过一个路由器都会减少TTL的值，当TTL的值为0的时候，这个数据报就会被丢弃。

7.八位协议

        IP数据报中的载荷，载荷通过携带不同传输层协议的数据包，类似于TCP/UDP的端口号。

8.16位首部校验和

        验证传输过程中IP报头是否发生错误，不管IP的载荷，载荷部分TCP/UDP都有自己的校验和。

9.32位IP地址

        IP地址是32位的，但是不方便人为观察，便通过点分十进制来进行化简，一共有三个点，每个部分是一个字节，大小不超过255：类似于192.192.192.192这种（乱写的）

        IP地址是唯一的，IP是32位大小，可以表示的范围是0~42亿9千万，但是如今的互联网发展迅速，这个大小已经无法满足现在的需求了。

三.解决IP地址不够的方法

1.动态分配地址

        当一个设备上网的时候，才会对它进行地址的分配，当该设备上网的时候，就不再进行地址的分配，对于IP地址不够用的解决只能算是权宜之计。

2.NAT（网络地址转换）

i.公网和私网IP

IP地址被分为两大类，第一种是公网IP/外网IP，第二种就是私网IP/内网IP。公网IP是不能重复的只能有一个，而私网IP可以在不同的局域网内中重复。

私网IP / 内网IP 的IP一般都是这几个类型：10.*   /    172.16~172.31.*     / 192.168.*（学会区分）

其他的就是公网IP / 外网IP 

ii.NAT的工作原理

NAT的作用：一个设备在上网的时候，IP数据报的IP地址，就会被NAT（通常是路由器）自动进行修改。

1.同一个局域网中，主机A访问主机B，不会涉及到NAT机制。

2.公网上的设备A，访问公网上的设备B，不会涉及到NAT。

3.一个局域网中的主机A，访问另一个局域网中的主机B，NAT机制中，不允许有这样的访问。

4.局域网内部的设备A，访问公网上的设备B，NAT机制会生效，并且NAT就是为了解决这个问题。

iii.NAT的工作过程

1.当我使用我的电脑发送IP数据报给卫星这个应用程序的时候，其中NAT会将我的IP数据报的IP地址自动发生改变，并把IP数据报发送给卫星这个应用程序：

2.当卫星这个应用程序接收到了我的电脑发送的IP数据报时，再将它的IP数据报传回给我的电脑上，并且通过NAT机制来进行：

3.如果有多个设备访问运营商路由器，并且给同一个服务器发送IP数据报，此时NAT机制会有映射关系：

        需要注意的是，如果A主机和B主机的端口号在很小的概率下，两者的端口号相同了，那么在运营商IP地址记录映射关系的时候，生成的新端口号会不同。在网络通信中，不仅仅只有IP信息是关键信息，端口号也是关键信息，端口号本身的作用就是区分同一个主机上的不同的应用程序，但在NAT中可以就可以用于区分不同主机上的不同的应用程序。

iv:NAT的缺点

        NAT机制的缺点在于网络环境过于复杂，替换过程中，需要维护每一层路由器的映射关系，每次转发数据，都需要查询映射关系等等，开销比较大。

3.使用IPv6

        可以根本上解决地址不沟通的问题，因为IPv6是使用了128位16个字节表示IP地址，而IPv4使用的是32位4个字节来表示IP地址的，这个差距是非常大的，因为IPv6是2*128，而IPv4是2*32。

        但是IPv6之所以没被普及，是因为使用IPv6需要使用新的设备，这样需要花很多钱，可是替换之后并不会有什么显著的提升，所以很多设备还是继续使用IPv4。而NAT机制只需要给路由器更新升级软件就可以，硬件不需要更换，成本更低。

 IPv6的内网：