【计网】从零开始认识IP协议 --- 认识网络层，认识IP报头结构

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1 网络层协议

1.1 初步认识IP协议

我们已经熟悉了传输层中的UDP和TCP协议，接下来我们来接触网络层的协议：

网络层在计算机网络中的意义主要体现在它提供了一个可靠、高效且透明的数据传输机制，使得不同网络之间能够互联互通，并为上层应用提供了稳定的服务。这是实现全球互联网和现代通信基础设施的关键所在。

那么网络层是如何进行数据传输的呢？通过网络层协议，这里介绍IP协议：
IP协议下，主要包含两部分：

• 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;以后主机和路由器都使用节点说明！

在上图中，主机B向将数据传送给主机C，那么就会面临一个路径选择的问题！根据目的IP要进一个路径选择，选取最合适的路径传输信息！**IP提供了一种能力，将数据从主机B跨网络送至主机C的能力！**这里举个例子：

小马是学霸级别的学生，平时不怎么学习，但是考试经常考到第一名。这次的省联考要到了，小马竟然开始认真复习了，大家都认为小马有能力考到省第一。这种能力是一种观点，小马有很大的概率做成这件事情！
小马的父亲大马是学校的教务处主任，如果今天我们希望每次考试都考第一名，那么光靠小马一个人肯定是无法保证每次都是第一名的。当小马在一次月考中没有考到第一名，大马立刻重新就安排一个新考试！重新进行考试！直到小马考到第一名！

在这个例子中，主任父亲和学霸小马就能保证小马一定可以考到第一名！小马提供了考到第一名的能力；大马提供了保证第一名的策略。再看IP协议中，IP协议就提供了将数据从主机B发送到主机C的能力！传输层的TCP协议通过将数据从主机B发送到主机C的策略！

所以IP协议只提供一种能力，TCP协议通过可靠的通信策略!

1.2 初步理解IP地址

IP地址是XXX.YYY.ZZZ.AAA的风格的点分十进制！

ip = 网络号 + 主机号。

网络中的一台主机，一定是属于一个子网的，在一个子网中的设备的IP地址是很类似的!唐僧取经的故事中，唐僧的目的地是西天大雷音寺，首先是在西天，其次是在大雷音寺！这个西天就可以理解为子网，找到子网之后，就要寻找大雷音寺在哪里了！

2 IP协议报头

IP协议的报头是也是要进行分用和分离，IP协议的标准长度是20字节，通过对报文的前20字节进行选取就能分离报头和数据。我们来看IP协议的报头结构和TCP是很类似的！

• 4 位版本号(version): 指定 IP 协议的版本, 对于 IPv4 来说, 就是 4

报文到达目标主机之后，可以根据4位首部长度确定IP报头结构，也就可以进行报头和数据的分离！
接下来我们来谈4位板本这个字段，IP协议中有：

1. IPV4 ：使用4字节表示一个IP地址，一般默认都是这个版本。
2. IPV6：使用16字节表示一个IP地址

在网络刚刚诞生的时候使用的是IPV4，只有4字节。网络发展到今天，4字节的IP地址已经不够使用了！解决方案有NAT，最好的解决方案是IPV6，使用16字节表示IP地址！所以也就说明IPV4和IPv6并不兼容。并且由于操作系统，路由器以及一些硬件大部分都是按照IPV4版本设计的，所以目前不能一下子全都更换位IPv6版本。

• 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。

• 4位首部长度表示IP头部的长度，以32位字（4字节）为单位计算。因此，TCP头部的最大长度为15 * 4 = 60字节。

• 16位总长度（Total Length）是表示整个IP数据包的长度（包括头部和数据），以字节为单位。

• 8位协议（Protocol）指示数据部分使用的协议（例如TCP、UDP、ICMP等）。

• 32位源IP地址（Source IP Address）：IPv6版本是128位，表示发送数据包的源主机IP地址。

• 32位目的IP地址（Destination IP Address）：IPv6版本是128位，表示接收数据包的目的主机IP地址。

IP协议可以通过报头识别到报头的长度和整个数据包的长度，这个是与TCP协议报头结构不同的!IP协议报头中包含了目的IP和源IP以及协议号，TCP协议中包含了源端口和目的端口。**这5部分结合，组成“西天大雷音寺”，可以准确的找到目标进程！**源IP，源端口，目的IP，目的端口，协议号五元组标识一个网络通信！

3 初步理解网段划分

网段划分是计算机网络中一个十分重要的概念！一定要理解清楚！今天初步了解一下网段划分！
IPV4版本中IP地址是一个有限的资源，存在竞争关系！必须经过合理的划分来分配给不同的国家区域！

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！

在同一个网络中，主机的IP地址是一致的，所以区分不同主机的方式是通过主机号来进行区分！我们的设备都是连接的对应的路由器，路由器一定有两个不同的网卡，既属于下层网络，也属于上层网络。是进行网络通信的中转站！所以一般路由器的主机号是1。

• 路由器有构建子网和路由的能力！在路由器的背面一般都标有路由器的IP地址！
  
  我们可以访问这个地址，通过用户名和密码管理我们的路由器！平时手机电脑连接路由器时，就是在路由器中申请一个主机号！

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。

IP地址资源是有限的，对于国家，地区，大学…都想要对应的IP地址，所以就要对IP地址资源进行划分，划分的很简单：A类 ，非A类(B类，C类…)，通过第一个比特位区分是否是A类。

• A类IP：0后的7位为网络号，一共$2^7$个网络号，$2^{24}$个主机号。
• B类IP：10后的14位为网络号，一共$2^{14}$个网络号，$2^{16}$个主机号。
• …

在互联网刚诞生的时候，这种划分方式是可以满足需求的，但是随着互联网的发展，这种划分方式使IP地址远远不够使用了！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！

这种划分方式就被丢弃了！于是就有了一个新的划分方式，称为 CIDR(Classless Interdomain Routing)。这种方案的依据是每个IP一定隶属于一个子网：

• 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。

我们可以通过我们的电脑来查看一下：

子网掩码都是在路由器中配置好的！通过对报文的目的IP进行掩码操作，可以确定前往的网络号是多少！