IP协议的相关特性、数据链路层相关内容讲解

IP协议相关特性

首先我们来认识一下IP协议的报头：
4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4就是4.

4位头部长度：IP头部的长度是多少个32bit，也就length*4的字节数，4bit表示的最大数据是15，因此IP头部最大长度是60个字节。

8位服务类型：用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性；前3位是优先级，后面4位成为服务类型，最后1位没有定义。

16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。

16位标识：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，那么每个片里面1这个id都是相同的。

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位分片偏移：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。用于重组源数据。

8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般为64，每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没有到达，那么就丢弃了，可以防止出现路由循环。

8位协议：表示上层协议的类型。

16位头部校验和：使用CRC进行校验，用来甄别头部是否损坏。

32位源地址和32位目的地址：表示发送端和接收端。

地址管理

从上述的IP数据报头可以看出来，IP地址是一个4字节，32位的整数。但是我们通常会把这个32位的整数转换成点分10进制的表示方法

这样一串东西就是我的IP地址，三个点把整数分成了4个部分，每一个部分就是一个字节，每个部分的取值范围位0-255。

我们可以尝试着计算一下一个32位的整数可以产生多少不同的地址呢？42亿9千万个，在过去的互联网环境下，42亿9千万个IP地址绝对够我们使用，可是互联网飞速发展，这个地址数量已经不够用了，如何解决这个问题呢？

有两个解决方法：
一个是动态分配IP地址：只给正在上网的设备分配地址，没有上网的设备不给分配地址。

另一个就是NAT机制。

NAT机制

NAT机制将IP地址分为了两大类，一类我们称为内网，一类称为外网。

内网IP：10.* 、172.16.* - 172.32.1.* 、192.168.* 内网IP可以重复出现。

外网IP：剩下的所有IP 外网IP必须唯一

类似于上面这样的结构，当我要在哔哩哔哩上搜索IP协议讲解，此时我的电脑就会找到路由器，告诉路由器我要干什么，路由器此时就会针对源IP进行替换，替换成路由器自己的IP之后将数据报发送给哔哩哔哩服务器，此时哔哩哔哩的服务器接认为收到的这是数据来自于1.2.3.4这个IP，而不是192.168.0.79这个IP。因为外网设备是无法直接访问内网的设备的。

此时我的舍友也在哔哩哔哩上搜索小姐姐跳舞，同样要经过路由器进行IP替换后发送给哔哩哔哩的服务器。那么问题来了服务器返回数据时，目的IP都是路由器的IP，如何区分那个数据报是给哪一个主机的呢？路由器做了IP替换，他也会记得是谁替换了谁。

NAT背景下如何通信：
1、外网设备 >> 外网设备，可以直接通信
2、内网设备 >> 其他内网设备， 不允许
3、外网设备 >> 内网设备， 不允许
4、内网设备 >> 外网设备，对应的内网设备的路由器，触发NAT机制进行IP替换，此时就会给这个网络数据报的源IP替换成路由器自己的IP。

IP地址的组成

IP地址分为了两个部分，网络号和主机号。

网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
主机号： 标识主机，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。

下面我来通过画图说明一下网络号和主机号的规则，一般家里的局域网由路由器连接，路由器一般都会有两个口一个Wan口用于连接广域网，一个Lan扣用于连接局域网，有时候Wan口并非真正意义的广域网。

此时路由器就连接了两个相邻的局域网，在我的电脑所在的局域网中，网络号为192.168.0.，同时在这个局域网中的各个设备的主机号不能重复。家用电视所在的局域网中网络号为192.168.1.，同样这个局域网中的各个设备的主机号也不能重复，同时因为这个路由器将两个局域网连接在一起了，这两个局域网就被成为相邻的局域网，这个时候两个局域网的网络号也不能重复。

那么问题又来了，如何区分网络号和主机号呢？是不是前三个字节一定是主机号而后一个字节一定是网络号呢？不是的，对于网络号主机号的划分是有两种分类方法的：1、IP地址类型（ABCDE）2、子网掩码

IP地址类型（ABCDE）

用前缀来区分类别，每个类别有固定的网络号位和主机号位。

子网掩码

子网掩码站在二进制的角度看，左侧都为1右侧都为0，为1的部分有几位，就有几位网络号，剩下的就是主机号了。

特殊的IP地址

主机号全部为0的
例如：192.169.0.0 这个就是一个网络号，局域网中不存在某个主机的主机号为0。

主机号全部为1的
192.168.0.255 这是一个广播地址。

ip为127.*开头的我们成为环回IP

主机号为1的，一般作为网关IP，这个不是绝对的。

路由选择

传输层关注的端到端，而网络层关注的是究竟选择哪一条路实现端到端，因为互联网中的设备非常之多，所以这条路存在了大量的冗余，如何筛选路径，这个就是路由选择需要做的事情了。

类似于高德地图导航，当我们知道出发地和目的地后，有很多条路都可以到达目的地，但是高德地图会选择一条最近的路，网络上也是一样，区别在于，高德地图可以记住所有的路，而在网络中路由器的能力有限，他只能记住自己周围的设备并且生成一个路由表来记录，我们进行路由选择时没到达一个路由器就会“问路”，但是有可能该路由器的路由表中没有这个目的IP，此时路由器会指出一条默认的路径（路由表中的“吓一跳表项”），这个路由器更高一级，所以更见多识广，反复这样问路最后找到目的IP，规划出来了一条路径，这就是路由选择。

数据链路层相关内容

以太网

首先我们先来认识一下以太网帧

数据链路层关注的是相邻节点的传输，所以有mac地址，占6个字节，相比于IPv4的4字节大了很多，所以当前的每个设备都有唯一的mac地址。

类型为0800的是用来传输数据的以太网帧，类型为0806和8035的是特殊的以太网帧。

值得注意的是，以太网帧的最大载荷为1500，那么如果IP数据报内容大于这个最大载荷怎么办呢？

MTU

一般我们把数据链路层的数据帧的最大载荷成为MTU，如果承载的数据长度超过这个MTU，那么就会在IP层进行分包，是每个数据帧都在MTU的范围之内。

在之前的IP协议的报头我们需要关注三个内容：

1、16位标识：一个大的IP数据报，拆成对各小的报之后，这个标识都是一样的。

2、3位标志位：有1位不用，1位表示是否分包了，还有1位表示当前这个分包是否是最后一个（结束标志）。

3、13位片偏移：简单来说就是表示了每个小的数据报的先后顺序，用来组包的。