网络层IP协议

什么是IP协议？

IP 协议（Internet Protocol）是一个处于垄断地位的网络层协议。 IPv4 就是 IP 协议的第 4 个版本，是目前互联网的主要网络层协议。IPv4 为传输层提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底层数据链路层的支持。

IP 协议并不负责数据的可靠性。传输数据时，数据被切分成一个个数据封包。IP 协议上层的传输层协议会对数据进行一次拆分，IP 协议还会进一步进行拆分。进行两次拆分是为了适配底层的设备。

数据在网络中交换（封包交换算法），并不需要预先建立一个连接，而是任由数据在网络中传输，每个节点通过路由算法帮助数据封包选择下一个目的地。

这里再复习一下可靠性，**可靠性保证数据无损地到达目的地。**可靠性是 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议保证的，比如 TCP 协议通过应答机制、窗口等保证数据的可靠性。 IP 协议自身不能保证可靠性。比如 IP 协议可能会遇到下面这几个问题：

封包损坏（数据传输过程中被损坏）；
丢包（数据发送过程中丢失）；
重发（数据被重发，比如中间设备通过 2 个路径传递数据）；
乱序（到达目的地时数据和发送数据不一致）。

但是 IP 协议并不会去处理这些问题，因为网络层只专注解决网络层的问题，而且不同特性的应用在不同场景下需要解决的问题不一样。对于网络层来说，这里主要有 3 个问题要解决：

延迟
吞吐量
丢包率

IP 协议目前主要有两种架构，一种是 IPv4，是目前应用最广泛的互联网协议；另一种是 IPv6，目前世界各地正在积极地部署 IPv6。

IP 协议的工作原理

IP 协议接收 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议传来的数据，然后进行拆分，这个能力叫作分片（Fragmentation）。然后 IP 协议为每个片段（Fragment）增加一个 IP 头（Header），组成一个IP 封包（Datagram）。之后，IP 协议调用底层的局域网（数据链路层）传送数据。最后 IP 协议通过寻址和路由能力最终把封包送达目的地。接下来为你讲述完整的过程。
分片（Fragmentation）

分片就是把数据切分成片。 IP 协议通过它下层的局域网（链路层）协议传输数据，因此需要适配底层传输网络的传输能力。数据太大通常就不适合底层网络传输，这就需要把大的数据切片。当然也可能选择不切片，IP 协议提供了一个能力就是把封包标记为不切片，当底层网络看到不切片的封包，又没有能力传输的时候，就会丢弃这个封包。你要注意，在网络环境中往往存在多条路径，一条路径断了，说不定其他路径可以连通。
增加协议头（IP Header）

切片完成之后，IP 协议会为每个切片（数据封包 Datagram）增加一个协议头。一个 IPv4 的协议头看上去就是如下图所示的样子：

其中分成 4 个部分。

最重要的是原地址和目标地址。IPv4 的地址是 4 组 8 位的数字，总共是 32 位。具体地址的作用我们在下面的“寻址部分”介绍。
Type Of Service 服务的类型，是为了响应不同的用户诉求，用来选择延迟、吞吐量和丢包率之间的关系。关于这块知识，本讲后半部分就会分析。
IHL（Internet Header Length）用来描述 IP 协议头的大小。所以 IP 协议头的大小是可变的。IHL 只有 4 位，最大值 1111 = 15。最大是 15 个双字（15*4 字节 = 60 字节）。
Total Length 定义报文（封包 Datagram）的长度。
Identification（报文的 ID），发送方分配，代表顺序。
Fragment offset 描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。
Time To Live 描述封包存活的时间。因此每个 IP 封包发送出去后，就开始销毁倒计时。如果倒计时为 0，就会销毁。比如中间的路由器看到一个 TTL 为 0 的封包，就直接丢弃。
Protocol 是描述上层的协议，比如 TCP = 6，UDP = 17。
Options 代表可选项。
Checksum 用来检验封包的正确性，

寻址（Addressing）

地址想要表达的是一个东西在哪里。寻址要做的就是：给一个地址，然后找到这个东西。IPv4 协议的寻址过程是逐级寻址。

IPv4 地址是 4 个 8 位（Octet）排列而成，总共可以编址 43 亿个地址。

比如 103.16.3.1 就是一个合法的 Ipv4 地址。4 组数字用.分开，是为了让人可读，实际上在内存和传输过程中，就是直接用 32 位。

寻址过程

寻址就是如何根据 IP 地址找到设备。因为 IPv4 的世界中，网络是一个树状模型。顶层有多个平行的网络，每个网络有自己的网络号。然后顶层网络下方又有多个子网，子网下方还有子网，最后才是设备。

路由（Routing）

在寻址过程中，数据总是存于某个局域网中。如果目的地在局域网中，就可以直接定位到设备了。如果目的地不在局域网中，这个时候，就需再去往其他网络。

由于网络和网络间是网关在连接，因此如果目的地 IP 不在局域网中，就需要为 IP 封包选择通往下一个网络的路径，其实就是选择其中一个网关。你可能会问：网关有多个吗？如果一个网络和多个网络接壤，那自然需要多个网关了。路由器在选择 IP 封包下一个应该是去往哪个 Gateway？

假如，我们要为 IP 地址 14.215.177.38 寻址，当前路由器所在的网络的编号是16.0.0.0。那么我们就需要知道去往 14.0.0.0 网络的 Gateway IP 地址。

如果你在当前网络中用route查看路由表，可能可以看到一条下面这样的记录。

Destination：14.0.0.0Gateway：16.12.1.100Mask：255.0.0.0Iface：16.12.1.1

这条记录就说明如果你要去往 14.0.0.0 网络，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 进行位运算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的网卡（IFace）是 16.12.1.1。

当封包去向下一个节点后，会进入新的路由节点，然后会继续上述路由过程，直到最终定位到设备。

路由和寻址的区别是什么？

【解析】
寻址（Addressing）就是通过地址找设备。和现实生活中的寻址是一样的，比如根据地址找到一个公寓。在 IPv4 协议中，寻址找到的是一个设备所在的位置。

路由（Routing）本质是路径的选择。就好像知道地址，但是到了每个十字路口，还需要选择具体的路径。

所以，要做路由，就必须能够理解地址，也就是需要借助寻址的能力。要通过寻址找到最终的设备，又要借助路由在每个节点选择数据传输的线路。因此，路由和寻址，是相辅相成的关系。

【解析】
127.0.0.1 是一个环回地址。并不表示“本机”，它属于{127,}集合中的一个，而所有网络号为127的地址都被称之为回环地址，所以回环地址!=127.0.0.1，它们是包含关系，即回环地址包含127.0.0.1。localhost是个域名，而不是一个ip地址，用于指代this computer或者this host，可以用它来获取运行在本机上的网络服务。之所以我们经常把localhost与127.0.0.1认为是同一个是因为我们使用的大多数电脑上都将localhost指向了127.0.0.1这个地址。一般把0.0.0.0称为“unspecified”，即未指定（即无效的，无意义的）地址。

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