计算机网络——IP协议详解-优快云博客

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一、前言

前面我们学习了应用层的HTTP/HTTPS协议和传输层的TCP/UDP协议。

HTTP/HTTPS协议主要是对数据请求的一个传输超文本应用层协议。HTTP/HTTPS协议的主要目的是确保客户端和服务器之间的数据传输安全、可靠、高效。通过HTTP/HTTPS协议，用户可以使用浏览器访问互联网上的各种网站，并且在网站之间浏览、跳转、获取信息等操作。

TCP协议是对传输的数据进行控制，保证数据传输的可靠性的传输层协议。UDP协议是对传输的数据可以容忍一定数据丢失的传输层协议。TCP协议确保数据的可靠性和完整性，通过数据确认和超时重传等机制，以确保数据按正确的顺序到达目标。UDP协议它不提供数据确认、重传或连接状态维护，因此在传输速度上通常较快。

但这里我们已经了解到了安全、可靠、高效的传输，但是到底怎么传输呢？数据是怎么通过网络找到目标主机的呢？接下我们来看网络层的IP协议。

二、简单认识IP协议

2.1 IP协议的基本概念

IP（Internet Protocol）是一种网络通信协议，它是互联网的核心协议之一，负责在计算机网络中路由数据包，使数据能够在不同设备之间进行有效的传输。IP协议的主要作用包括寻址、分组、路由和转发数据包。

注意，IP协议负责的是数据包的路由。其作用类似于邮政系统中的邮政地址。它为数据包提供了唯一的地址，并规定了如何将数据包从发送方路由到接收方。

举个例子理解一下：想象一封电子邮件从您的计算机发送到朋友的计算机。在这个过程中，IP协议充当了邮递员的角色。它确保邮件（数据包）具有正确的发送地址和接收地址，并且知道如何跨越网络中的路由点（类似邮局）以最终到达目的地。无论您的朋友身在世界的哪个地方，IP协议都能确保邮件准确地送达。

2.2 IP协议报文格式

IP协议报文由两个主要部分组成：IP首部和数据部分。具体如下图：

IP首部：

4位版本（Version）：指示IP协议的版本号，通常为4（IPv4）或6（IPv6）。

4位首部长度（Header Length）：指示IP首部的长度，以32位字长为单位，即4字节。实际长度为该字段值乘4。包含选项字段的大小。

8位服务类型（Differentiated Services）：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）：指示整个IP报文的长度，包括首部和数据部分。

16位标识（Identification）：用于唯一地标识一个IP数据报，常用于分片和重组。

3位标志（Flags）：用于指示数据报的处理状态，包括是否可以分片和是否是最后一片。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，这时候如果报文长度超过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位片偏移（Fragment Offset）：用于指示该分片相对于原始数据报起始位置的偏移量。

8位生存时间（Time to Live，TTL）：防止数据报在网络中无限循环，每经过一个路由器，该值减1，直到为0，数据报将被丢弃。

8位协议（Protocol）：指示封装在IP数据报中的上层协议，如TCP、UDP等。

16位首部校验和（Header Checksum）：用于检验IP首部中是否发生错误。

源IP地址（Source IP Address）：指明发送方主机的IP地址。

目标IP地址（Destination IP Address）：指明接收方主机的IP地址。

可选项（Options）：可选字段，包括记录路由路径、时间戳、安全和加密等信息。最多40字节。

数据部分：

数据部分是IP协议传输的实际数据，可以是TCP、UDP等上层协议封装的数据。

上述即为IP报文格式的详解，关键在于16位标识、3位标志、13位片偏移。这就涉及到数据的分片与组装了。下文会对此进行详细解释。

2.3 分片与组装

网络层的IP协议是为数据的路由提供决策，而真正的对数据进行转发路由的是数据链路层。如下图：

由于链路层物理特征的原因，一般无法转发太大的数据。链路层转发数据报文到网络是有大小限制的，一般是1500字节这也就是我们所说的MTU。

最大传输单元（Maximum Transmission Unit，简称MTU）是指通信网络中可以一次性传输的最大数据包大小。它通常以字节数为单位表示。MTU对网络通信非常重要，因为它影响到数据传输的效率和网络的性能。

在网络通信中，数据传输的基本单位是数据包。每个数据包包含数据以及相关的控制信息。MTU定义了一个数据包的最大大小，超过这个大小的数据包需要分片成更小的数据包进行传输，然后在目的地重新组装。我们也可在Linux下查看自己主机的MTU大小，具体如下图：

那么这里就涉及到一个问题：我们知道分片和组装都是有消耗的，分片行为是网络层做的，那么组装是由谁来做呢？也是网络层！因为我发送方发送的是一个TCP完整的报文，报文大小大于1500字节后，网络层就需要对其进行分片再交给链路层。接收方在网络层向上交付时，也得需要一个完整的报文。至于你是怎么做的，传输层一点也不关心。具体如下图：

接下来我们看一下网络层分片与组装的过程。举例详解网络层的分片与组装过程：

数据分片：
假设我们有一个较大的数据包，它需要通过网络传输。首先，网络层会将这个数据包分成多个较小的分片。每个分片包含数据的一部分，以及一些关键的信息，如分片的偏移量和标识号。这些信息在后续的组装过程中用于正确还原数据。

分片的传输：

这些数据分片被分别发送到网络中。它们可以采用不同的路径，经过不同的路由器和链路，因为