【超详细】IP协议_ip协议格式-优快云博客

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前面我们知道传输层的TCP协议是把数据有效可靠的传输出去，那么网络层里的IP协议起什么作用呢？

提供一种能为将数据跨网络从A主机送到B主机！

IP协议头格式

4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
4位首部长度(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.
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，我们把有效载荷交付给上层哪一个协议
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.
16个位标识，3个位标志，13个位片偏移后面详细讲
选项字段(不定长, 最多40字节): 略

1.报头和有效载荷如何分离的？

固定长度+自描述字段，固定报头的长度，带有16位总长度，有效载荷占多少字节

2.如何交付给上层？

通过8位协议，表示上层协议的类型，我们把有效载荷交付给上层哪一个协议

路由器的理解

路由器本质也是特定一个子网的主机，也要配置IP地址
路由器一定至少要连接2个子网，路由器也就相当于同时在两个子网，路由器可以配置多个IP、一定要的，可以认为路由器有多个网卡
路由器一般是一个子网中的第一台设备，一般他的IP地址都是:网络号.1
路由器功能、IP报文的转发，不仅仅如此，还可以构建子网(局域网）

网段划分

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;

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.
如果在子网中新增一台主机, 则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致, 但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复.

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.
那么问题来了, 手动管理子网内的IP, 是一个相当麻烦的事情.

有一种技术叫做DHCP, 能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址, 避免了手动管理IP的不便.
一般的路由器都带有DHCP功能. 因此路由器也可以看做一个DHCP服务器

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类, 如下图所示

A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,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.

针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

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，只和子网掩码有关;

可见,子网掩码，可以对IP32位，进行任意划分，IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号, 主机号从全0到全1就是子网的地址范围;
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68, 子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0

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

IP地址的数量限制

我们知道, IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数. 那么一共只有 2的32次方个IP地址, 大概是43亿左右. 而TCP/IP协议规定, 每个主机都需要有一个IP地址.这意味着, 一共只有43亿台主机能接入网络么?
实际上, 由于一些特殊的IP地址的存在, 数量远不足43亿; 另外IP地址并非是按照主机台数来配置的, 而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址.
CIDR（子网掩码）在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题(提高了利用率, 减少了浪费, 但是IP地址的绝对上限并没有增加), 仍然不是很够用. 这时候有三种方式来解决:

动态分配IP地址: 只给接入网络的设备分配IP地址. 因此同一个MAC地址的设备, 每次接入互联网中, 得到的IP地址不一定是相同的;
NAT技术(后面会重点介绍);
IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表示一个IP地址; 但是目前IPv6还没有普及;

私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上,理论上使用任意的IP地址都可以,但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址

10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址
192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址
包含在这个范围中的, 都成为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP)

一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP).
路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是子网之间的IP地址就可以重复了.
每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级,最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了.
子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)后面详细讲.
如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.

路由的过程

路由的过程, 就是这样一跳一跳(Hop by Hop) "问路" 的过程.
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;

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表，本机和路由器都会维护一张路由表

路由表可以使用route命令查看
如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可;
路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:

这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络;
路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发;

转发过程例1: 如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3

跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去;
由于192.168.56.0/24正是与eth1 接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发;

转发过程例2: 如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2

依次和路由表前几项进行对比, 发现都不匹配;
按缺省路由条目, 从eth0接口发出去, 发往192.168.10.1路由器;
由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址;

IP分片

实际上，在一台主机中，报文并没有通过网络层直接发出去，而是继续交给了自己的下一层协议数据链路层，数据链路层不能一次发送过大的报文！这就要求了上层不能交付过大的报文

数据链路层发送的数据长度规定最小46字节,最大1500字节，数据包的长度不够46字节,要在后面补填充位
最大值1500称为以太网的最大传输单元(MTU),不同的网络类型有不同的MTU
MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制. 这个限制是不同的数据链路对应的物理层产生的限制
如果一个数据包长度大于数据链路层的MTU了,则需要对数据包进行分片(fragmentation);
不同的数据链路层标准的MTU是不同的

由于数据链路层MTU的限制, 对于较大的IP数据包要进行分片，怎么进行分片呢？

IP协议头格式有3个字段还没说，16个位标识，3个位标志，13个位片偏移，这三个字段是IP的分片和组装的字段

将较大的IP包分成多个片, 并给每个小片打上标签;
每个小片IP协议头的 16位标识(id) 都是相同的;
每个小片的IP协议头的3位标志字段中, 第2位置为0, 表示允许分片, 第3位来表示结束标记(当前是否是最后一个小包, 是的话置为0, 否则置为1);
片偏移表示某个分片的数据在原数据中的相对位置
到达对端时再将这些小片, 通过片偏移会按顺序重组, 拼装到一起返回给传输层;
一旦这些小片中任意一个小片丢失, 接收端的重组就会失败. 但是IP层不会负责重新传输数据，传输层就要重新发送

当片偏移不等于0或者三位标志位中的第三位等于1，IP就被分片了

如果没有分片，片偏移等于0并且三位标志位中的第三位等于0

我们不建议分片，分片之后数据包变多了，增加了丢包概率，任何一个分片丢失，都要重新发送

MTU对UDP协议的影响

一旦UDP携带的数据超过1472(1500 - 20(IP首部) - 8(UDP首部)), 那么就会在网络层分成多个IP数据报
这多个IP数据报有任意一个丢失, 都会引起接收端网络层重组失败. 那么这就意味着, 如果UDP数据报在网络层被分片, 整个数据被丢失的概率就大大增加

MTU对于TCP协议的影响

TCP的一个数据报也不能无限大, 还是受制于MTU. TCP的单个数据报的最大消息长度, 称为MSS(MaxSegment Size)，就是我们以前看的TCP协议中滑动窗口一个一个方格
TCP在建立连接的过程中, 通信双方会进行MSS协商.
最理想的情况下, MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度(这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU).
双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值.
然后双方得知对方的MSS值之后, 选择较小的作为最终MSS.
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中(kind=2)