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第四章 IP协议

4.1 IP协议概述

4.2 IP地址相关

4.3 IP路由控制

4.4 分包与组合

4.5 IPV4部首解析

这一章节主要是网络层内容的介绍。根据前面学习，知道本层有IP、ICMP和ARP等协议，本章主要阐述IP协议相关内容。

4.1 IP协议概述

网络层是TCP/IP的核心内容，IP（Internet Protocol）网际协议是关键所在，通过该协议实现了终端节点间的数据交换。

这里应该再强调一下，数据链路层是实现相邻两个节点之间的通信，若要跨越多种数据链路就需要网络层来实现，如下图。

我们可以通过坐火车、包裹邮寄等多种方式来类比学习。这里作者特意为我们区分了“主机”和“节点”的概念。主机的定义应该是指配有IP地址但不进行路由控制的设备，路由器既有IP地址也具有路由控制功能节点是主机和路由器的统称。

另外，IP地址不同于IP。IP地址是IP协议的一部分内容，IP是指网络层的一种协议。

IP大致分为三个部分，即IP寻址、路由、IP的分包与组包。

4.2 IP地址相关

这部分主要阐述IP地址的定义、分类以及应用。

IP地址如同链路层的MAC地址，是对节点设备的识别码，根据这个一信息可以实现网络各节点间的数据交换。

1、IP地址的定义

IP地址就是网络层的地址，是用来实现网络设备间数据交换的基石。IP地址是用一个32bit的数字来表示，并将这个数字分为“网络标识”和“主机标识”两个部分，网络标识要求保证网络中的每个网段地址不能重复，相同段内的主机必须拥有相同的网络地址。主机标识要求同一网段的主机必须不同，如下图。其中“/24”意思是从从头数到第几位是网络标识，“/24”就是前24bit是网络标志。

另外，我们还把IP地址分为了4类，分为A类、B类、C类和D类。其实还有E类，但未使用。每一类的网络标识和主机标识是不一样多的，目的是为了适应不同的网络大小。例如A类。网络标识范围是0.0.0.0~127.0.0.0，可以容纳128网段，主机标识就有2^24这么多，其他类也是这样

但并不是所有的主机标识都可以任意使用的，因为每个网段中还有广播地址一说。主机标识都是1就表示这是广播地址，任何网段内的主机均可接收。

广播还分为两种，本地广播和直接广播。本网络内的广播叫做本地广播，路由器会屏蔽盖IP地址的数据包，使其不能到达本网段之外。不同网段的广播叫做直广播，但这种功能是在路由器上进行的设置，一般是本地广播。

此外还有多播，实现将数据发送到本网段的特定主机，多播使用的是D类地址，如果从首位是“1110”就可以认为是多播。

2、子网掩码的诞生

将IP分为若干类的方法有个显著问题，就是造成资源浪费。例如B类，允许该网段内有6万多个主机，这个种网络结构实际是不存在的，所以，显著的IP是不受分类限制，而是采用了一种全新的识别方式。通过这种方式可以实现更小刻度的划分，这就是子网掩码。

引入子网掩码后，IP地址就有了两种识别码，分别是IP地址本身，另一个就是表示网络部分的子网掩码。其表示方式有两种，如下图所示，我们电脑一般采用第一种方式，子网掩码置一位表示为网络标识，第二种表示还是数位数。

3、全局地址和私有地址

起初，互联网中的任何一台主机或路由器必须配有一个唯一的IP，否则会发生冲突造成通信失败。然而IP地址已经不够分配了，为了解决这个问题，就有了私有地址和全局地址之分，但要注意的是，不是这样简单一分问题就解决了，还需配有NAT技术的配合。实现思路是全局IP保证整个互联网上保证唯一性，私有IP只需保证统一域内唯一即可。

私有IP分为三类，如下所示，除此之外的都称之为全局IP。

全局IP是由机构进行统一分配的，是谁不关心~

4.3 IP路由控制

一包数据的传递，就如同我们的快递，要越过千山万水，这过程中需要有设备识别这包数据要去哪，这个设备就是路由器，它实现的功能就是路由控制。每个路由器里面都会有一张表或者说清单，叫做路由控制表，如下图所示

可见，路由控制表中存着本网段内主机设备IP所对应的下一网段的IP，路由器根据这个表格选择发送路径。如果存在许多相同的网络地址的记录，就选择最吻合的一个，这就涉及更复杂的路由控制，后面章节表述。这张路由表的形成有两种方式，一是手动设置，叫做静态路由控制，二是与其他路由器进行信息交换时的自动学习，叫做动态路由设置。

路由方式也有三种，叫做默认路由、主机路由和回环路由。

路由器还有一个聚合功能。如果一个网段内有很多主机，都要通过路由器与其他网段进行数据交换，那这个在路由表中的寻址过程是漫长的且不易维护的。所以我们可以对本网段的所有主机的IP地址分类，形成新的小的子网段。这样的查找表就很好找了。

4.4 分包与组合

前面说了，一包数据到达接收端可能要翻过大山越过大河，这也就不可以避免的会经过不同的设备。之所以有不同的设备，是因为其使用目的是不同的，如果同一一种向下兼容，即会造成极大的资源浪费，也非常的不灵活。基于此，每种链路承载的最大数据长度是不同的，所组成的链路的最大传输单元叫MTU。一包数据要经过不同设备组成的链路，就要考虑这包数据长度是否超过了某链路的最大承载量。如下表是不同链路的MTU

一开始解决方案是到一路由器，判断下一路径允许的最大MUT，也就是走一步看一步。但这种方式容易丢包，于是又发明了“路径MUT发现”技术，也就是首先预判收发之间的路径所所允许的最大MUT，然后在发送端将数据分为小片段。

4.5 IPV4部首解析

如下图是IPV4的部首信息，接下来就逐个解析。

1、版本

4bit构成IP部首的版本号

2、部首长度（IHL：Internet HeaderLength）

部首长度也是由4bit构成，表示部首的长度，是以32bit为单位。例如IPV4的部首上长度是20byte，就要设置为5。

3、区分服务（TOS：Type Of Service）

由8bit构成，都不用。

4、总长度（Total Length）

表示IP首部与数据部分结合起来的总字节数。该字段长16bit.

5、标识(ID:Identification)

分片重组，同一分片的标志值相同，不同分片的标志值不同，当然，如果分片值相同IP地址不同也是不同的分片。每发送一个IP包，它的值也逐渐递增。

6、标志（Flags）

3bit构成，表示包被分片的相关信息。

7、片偏移（FO:Fragment Offset）

由13bit构成，用来标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置。

8、生存时间（TTL：Time To Live）

8bit构成，最初是以秒为单位表示当前包在网络上应该的生存期限。实际上指可以中转多少个路由器的意思，直到变成0则丢弃该包。这可以避免IP包在网络内无限传递的问题。

9、协议（Protocol）

由8bit构成，表示IP包传输层上的协议编号。

10、部首校验和（Header Checksum）

由16bit构成，也叫IP首部校验和。该字段只校验数据报的首部。不校验数据部分。确保IP数据报不被破坏。

11、源地址

发送端地址，32bit

12、目的地址

接收端地址，32bit

13、可选字段（Options）

长度可变，该字段包含如下信息，安全级别、源路径、路径记录和时间戳。

14、填充

补可选字段剩下的比特位。

这个部首的设计思路，也对我们进行程序设计时很有启发。

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