【网络原理5】IP协议篇

目录

IP协议报头 

4位版本号

4位首部长度

8位服务类型(TOS)

16位总长度 

IP拆包

 16位标识、3位标志、13位片偏移​编辑

8位生存时间(TTL)

8位协议

16位首部校验和 

网络地址管理

32位源ip&32位目的ip 

     方案一:动态分配ip地址

     方案2:NAT网络地址转换(使用一个ip代表一批设备)

 方案3:使用ipv6，从根本上解决IP不够用的问题

网络号&主机号

一个两个不同的局域网之间的关系(图解） 

子网掩码

 几个特殊的IP

 回环IP：

广播地址:主机地址全为1的IP：（192.168.0.255）

主机地址为十进制1的IP（网关IP）

 主机地址为0的IP

 路由地址选择

 IP协议其实是工作在网络层的协议。

 关于什么是网络层，已经在这一篇文章当中提到了。

初识网络：IP、端口、网络协议、TCP-IP五层模型_革凡成圣211的博客-CSDN博客TCP/IP五层协议详解https://blog.csdn.net/weixin_56738054/article/details/128666970?spm=1001.2014.3001.5501 它主要负责地址管理和路由器选择。

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IP协议报头 

下面，来一张图看看ip报文，下面将说几个常见的属性

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4位版本号

       版本号这里的取值只有两个，一个是4另外一个是6，分别代表ipv4和ipv6。

       本文章目前讨论的就是ipv4。

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4位首部长度

       描述了ip报头有多长。IP报头和TCP报头一样，也是包含了选项部分的长度，选项的长度是变化的，最短可以为0，也就是可有可无的。

       4位首部长度的单位也是"4字节"。当首部长度位15的时候，可以经过下面的运算得出IP报头长度和选项长度。

 

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8位服务类型(TOS)

  这里说是8位，其实实际上只有4位，对应4种形态。

  这4位当中，只有1位可以表示1，其他都是0。

  这4种形态分别是:

  最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

  实际开发当中就可以根据需要，来切换IP的模式，达到最优的效果。

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16位总长度 

 描述了一个IP数据包的长度。一个IP数据包，包含了两部分：

 IP报头+IP载荷。这两个部分合起来，就是一个IP报文的总的长度。

 所以：IP载荷部分长度=16位总长度-4位首部长度。

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IP拆包

       IP报头当中有一个属性——16位首部长度。这难道代表，IP数据报的最大长度就是64KB吗？

       并不是的，当一个IP报文的总长度如果达到了64KB之后，就会在网络层进行拆包，把一个数据拆成多个IP数据报，然后发送给数据链路层。各自以数据帧的方式进行传送

       在接收方接收这个IP报文的时候，会再次把这两个IP数据报进行解析，然后再合并成一个IP报文传送给接收方传输层。

       这就好像一个电梯的载重是9吨，如果一个货物重10吨，那么就只能分成多次进行运送了。

       然后运送到目标楼层之后，在进行拼装组合。 

       和UDP不一样的是，UDP虽然也有大小限制(64KB)，但是一旦超过了这个限制，只能由

程序员手动拆包。并不像IP协议一样可以自动拆包。

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 16位标识、3位标志、13位片偏移

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8位生存时间(TTL)

一个数据报在网络上能够传输的最大时间。这个时间的单位不是"秒"，而是次数

当初始化之后，在链路上面进行传输的时候，每经过一个路由器，TTL的值就-1。

       如果TTL的值减为0之后，还没有到达目标，此时就认为这个数据永远也到达不了了，于是这个IP报文就会被丢弃。

 

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8位协议

       8位协议，指明了此处的IP协议的载荷当中的传输层协议是什么，例如指明了是TCP还是UDP的协议。

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16位首部校验和 

仅仅根据首部的特点计算出它的校验和，并不需要根据整个ip报头再计算一次。

原因：IP载荷已部分已经有对应的协议校验过了，无需再次校验。

如果校验和不一致，直接丢弃 

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IP地址功能 

 IP有两个功能，一个是网络地址管理，另外一个是路由器选择。

下面，首先谈一下IP是怎样进行网络地址管理的

网络地址管理

32位源ip&32位目的ip 

       此处看到的IP地址是一个32位的整数。但是，我们平时看到的ip地址好像就是a.b.c.d这样的格式的数字。

       我们一般期待，每一个网络设备的ip地址都不一样。32位，也就是代表了42亿9千万个数字。

       但是，如果放在整个世界的网络设备当中，42亿9kw这个数字远远不够用

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       为了解决这个问题，于是就有了如下的解决方案:

     方案一:动态分配ip地址

      此时，哪些设备需要网络，哪一些设备就连上网络。但是，这是一个治标不治本的方式。无法彻底解决ip地址不够用的问题。

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     方案2:NAT网络地址转换(使用一个ip代表一批设备)

       在NAT背景下，就把IP地址分为两个大类:

       大类1:内网IP（私有ip）

        什么样的IP，可以代表内网IP呢？

        有以下这三种IP：

        ①10.*开头的IP地址；

        ②172.16.*~172.31.*;

        ③192.168.*

        只要IP地址属于这三类当中的某一类，那么就一定属于私网IP

       大类2:外网IP（公网IP）

除了大类1范围以外的IP地址，都属于公网IP

      NAT要求：公网IP必须是唯一的，不可以重复。

      私网IP可以在不同的局域网内重复出现，但是不可以在同一个局域网内重复

       如果某个私网想要访问公网，那么就需要使用NAT(路由器)把IP地址进行映射，从而完成网络访问。同样地，不同局域网下面的设备，也无法直接访问。

       同一个路由器下面的所有设备的公网ip都是一样的。

使用IPV4+NAT+动态分配的技术，是目前来说比较广泛使用的方式。 

       小明说：我的电脑的IP地址是192.168.2.3，

       小红说：我知道你的电脑的IP啦，我可以黑你！

       小明：你只知道我的私网IP，无法知道我的公网IP，也就是我家的路由器的IP。就算你知道了我家路由器的IP，也只能黑我的路由器呀，哈哈。你永远黑不到我的电脑噢~

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 方案3:使用ipv6，从根本上解决IP不够用的问题

    对于ipv4，它使用的是32位，也就是4字节来表示ip地址。

   下图是ipv4的

      关于ipv6，它是使用了128位，也就是16字节来表示ip地址。

      128位，可以表示的无符号范围为(0,2^128-1)。这一个数字(大约是42亿的4次方)，可以表示足够多的ip地址了。

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网络号&主机号

如果一个ip地址为192.168.10.1(本主机的私网地址)。

那么，网络号为：192.168.10(也就是前三位)，主机号为最后一位：1。

那么也就意味着，一个局域网下面的所有网络设备，它们的网络号都是192.168.10。

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一个两个不同的局域网之间的关系(图解） 

①同一个路由器都拥有两个接口，一个是WAN口(连接其中一个局域网);

另外一个是LAN口(连接另外一个局域网)，LAN口一般用于连接和这个路由器相连的网络设备。

也就是LAN口的网络号和各个主机的网络号一致。

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 ②路由器连接的另外一个光猫：

 这个光猫的LAN口编号和路由器的WAN口编号处于同一个局域网内部。

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子网掩码

如上图，一个子网掩码就是255.255.255.0；

子网掩码也是一个32位的整数：如上图，表示就是:1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000

左侧都是1，右侧都是0。1的部分描述了IP地址的网络号最多有多少位。

255.255.255就是网络号的最大值了。

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 几个特殊的IP

 回环IP：

      127.*的IP地址为本机回环IP，通常是127.0.0.1，这个IP地址通常用于测试本机的应用程序。例如手写一个客户端——服务端程序的时候，用于测试是否可以连通网络。

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广播地址:主机地址全为1的IP：（192.168.0.255）

       主机地址为一个ip地址最后一个.往后的部分。例如在上面的IP地址当中，255就是这个IP地址的主机地址，255的用二进制表示就是11111111

            这里的全为1并不是十进制的1，而是二进制的1。

       如果使用UDP协议往这个地址上面发送数据报，那么整个局域网的所有设备都可以收到。

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主机地址为十进制1的IP（网关IP）

当一个通信设备的IP地址为192.168.0.1.......或者192.168.3.1

也就是主机号为1的时候，这个通信设备就通常是一个网关

网关可以理解为一个局域网的入口

例如下图当中的LAN口就是一个局域网是入口:

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 主机地址为0的IP

  例如123.45.67.0

  主机IP为0，说明这个IP地址代表了一个局域网的IP。

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 路由地址选择

  这是IP地址的第二个功能。

  每一个路由器都会保存一定的周围设备的信息，这部分信息被称为(路由表)。

  每次有一个IP数据报经过路由器，就需要匹配路由表，看一看接下来咋走。

  如果路由表上面有匹配的项，就会往这一个匹配的项走。

  以上内容只是简单了解一下路由器选择，具体内容，可以参考网络。