网络层IP协议(TCP)

IP协议：

        在了解IP协议之前，我们市面上看到的"路由器"其实就是工作在网络层。如下图：

那么网络层中的IP协议究竟是如何发送数据包的呢？

IP报头：

IP协议的报头是比较复杂的，作为程序猿只需要我们重点理解几个点。

4位版本：

        当今的IP的版本有两种：IPv4和IPv6。

        现如今IPv4是主流的版本。

4位首部长度：

        IP协议报头的长度是可变的。IP报头的长度 = 0-15 * 4 KB.

        （4位的取值范围就是0-15）

8位服务类型：

        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位总⻓度(total length):

        IP数据报整体占多少个字节(64KB)

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.

需要注意的是IP数据报会自动完成拆包和组包。

3位标志字段：

        第⼀位保留(保留的意思是现在不⽤, 但是还没想好说不定以后要⽤到). 第⼆位置为1表⽰禁⽌分⽚, 这时候如果报⽂⻓度超过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：

        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, 其他报⽂的⻓度必须是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。

可以假设构造了一个IP数据报，该数据包中的目的IP写了一个不存在的，此时这样的数据包将无限传输，但是设置了TTL，约定了传输上限，只要达到上限，数据包会自动丢弃。

8位协议：

        IP数据报传输过程中里面携带的载荷肯定是传输层的相关协议，8位协议里面的数值就代表着传输层的哪一个协议。

16位首部检验和：

        检验IP报头中数据是否出错。这里不需要检验载荷中传输层协议的正确性。

地址管理：

        路由器工作在网络层，现在的路由器都有自动分配IP的功能DHCP。

       在IPv4的报头中我们也可以观察到，IP一共是32位，也就是一共42亿9千万个，但是随着时代的发展，这么多的IP地址已经不够用了，那么该如何解决以上的问题呢？

方案1：

        动态分配IP，一个设备上网就分配一个IP，不上网就不分配。

方案2：

        NAT网络地址转换。

        可不可能使用一个IP代表一大波设备？

        把IP地址分为两大类：

        1.公网IP\外网IP

        2.私网IP\内网IP  

 要求公网IP必须是唯一的，私网IP是允许重复的(在不同的局域网中是可以重复的)。

一个设备在上网的时候，IP数据包中的IP地址会被NAT设备(通常是路由器)进行自动修改。

那么就会有以下几种4种情况：
1.同一个局域网内：主机A访问主机B

2.公网的设备A访问公网的设备B

3.一个局域网中的主机A，访问另一个局域网中的主机B

4.局域网中的设备A，访问公网中的设备B

一共有以上的4种访问情况，究竟哪种情况会触发NAT机制？

首先第一种：同一个局域网下的设备互相访问，不会触发NAT机制。

其次第二种：公网之间相互访问的设备，不会触发NAT机制。

再其次第三种，第三种这种访问时不被允许的，所以也谈不上NAT机制。

所以只有第四种情况才会触发NAT机制。

那么究竟是怎样出发的呢？

如下图：

那么此时一个路由器可能关联着许多设备，那么这么多设备如果同时发送QQ消息，此时发送给QQ服务器的IP地址都是一样的了。

结论：此时就相当于一个公网IP地址代表着一大波设备！！

但是此时还是有问题，此时QQ服务器给我返回响应，最后通过路由器传回客户端，那么这个端口号应该怎么填写：

例如：

此时在经过路由器的时候，路由器不仅进行了NAT，其实还将端口号进行了一个修改定制：

此时所有设备在经过路由器的时候，相当于路由器这边会自动生成一个表记录IP和端口号的键值对，最后都已新的IP和端口号发送给对端。

之后等服务器相应过来的数据，经过路由器，对应查表之后发送给不同的客户端。

方案3：

        使用IPv6解决IP不够用的问题.

        IPv4使用的是32位4个字节。

        IPv6使用的是128位16个字节. 

IPv6是16个字节，可以说，能够表示的IP数量够地球上每一粒沙子拥有一个独立的IP。

 网络号&主机号：

        那么理解完IP的协议和地址管理之后，问题又来了，IP中的数字是什么含义？

        IP地址一共是32位，可以一分为二，左半部分表示网络号，右半部分表示主机号。

        例如：

这里的一半并不代表均分，至于左半部分占的多还是右半部分占的多，就和主机上面的子网掩码有关。

网络中规定：

        同一个局域网下，网络号必须相同，但是主机号一定不同。

        两个相邻的局域网，网络号必须不同。