网络层——IP协议详细解读

淡淡的烟草味﹌ 2024-03-22 14:47 86阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  IP协议
 *   *  1. IP协议的报文格式
     *  2. IP协议的地址管理
     *  3. IP地址的组成
     *  4. IP协议的路由选择

## IP协议 ##

之前介绍了传输层的重点协议，TCP和UDP协议，以下将介绍网络层的重点协议IP协议。

### 1. IP协议的报文格式 ###

**IP地址** 本质上是一个32位整数，在机器中按4个字节存储。现实中通常将其用点分十进制表示，比如：192.168.1.1三个点将32位整数分为四部分，每部分一个字节，取值为0-255。  
IP协议的报文格式如图所示：  
![在这里插入图片描述][ac2ad88ee1f144ecbf6ca9a1ffd1f445.png]

1.  4位版本号：IP协议的版本号，目前有IPv4和IPv6两个版本。
2.  4位首部长度：IP的报头和TCP类似，都是长度可变的，带有选项。4位的取值范围为0-15，它的单位为4字节。
3.  8位TOS：其中4位有效，分别表示最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。表示某一时刻的状态，同一时刻只能取一种状态。
4.  16位总长度：表示最大长度64k，单个IP数据报最大长度不能超过64k。如果超过长度可以采用 **分包** 和 **组包** 的方法。
5.  以下三个字段就是用来分包组包的，多个被拆分的IP数据报的16位标识相同，13位偏移确定拆分的数据报顺序，三位标志位有一位有效，为0时表示不是最后一个数据报，1时表示为最后一个数据报。  
    ![在这里插入图片描述][8d33c52e218a45229fa398016526cca3.png]  
    注意： IP协议数据报的分包只针对接收到的数据拆分，举例如果是一个TCP数据那么我们只针对数据部分拆分不拆分TCP报头。
6.  8位生存空间：表示一个IP数据报在网络上还能存在多久，单位为转发次数，也就是最多能转发多少次。 如果出现数据包中的IP地址是永远到达不了的，此时不断转发会占用过多的硬件资源，所以设置了一个最大的转发次数。
7.  8位协议：用于标识传输层使用的协议。
8.  16位首部校验和：用来校验传输的数据是否正确。
9.  32位源IP地址：表示发件人地址。
10. 32位目的IP地址：表示收件人地址。

### 2. IP协议的地址管理 ###

上述了解到IP地址实际是32位整数，那么表示的地址就是有限的，如果出现地址不够用，如何解决呢？

在IP协议中有三种处理方式：**动态分配IP地址** 、**NAT机制** 、**IPv6协议** 。

1.  动态分配地址：设备上网就分配ip地址，不上网就不分配，但是这种方式并没有增加ip的数量，只是暂时缓解，如果同时上网个数达到一定量也会不够用。
2.  NAT机制：将ip地址分为两类，内网IP 和 外网IP，此时规定外网IP必须是唯一的，内网IP可以重复出现（在不同局域网中）。如果内网设备要访问外网，就会给他分配一个外网IP，但是这个外网IP并不是该设备独有，而是该内网中所有设备公用。  
    **内网IP主要为：**（1）10.开头 （2）172.16. 到 172.31.\* （3）192.168.开头。  
    **外网IP为：** 剩下的IP地址。  
    举例说明：  
    如果我的主机连接了宿舍的路由器，当我想要访问百度时，我的 **IP协议数据包** 传输到路由器时，路由器会将我们的**IP地址**（源ip地址）替换成自己的 **IP地址**（外网IP地址），此时再传输给百度服务器，百度认为该数据包来自于路由器。**得出结论外网设备无法直接访问内网设备。**  
    如果此时有连接路由器的两个主机都访问百度， 返回两个数据报到路由器时。此时路由器会根据自己替换了谁的ip地址进行区分，就能将数据转发回对应的主机。  
    **这种方法也只是提高了ip地址的利用率，并没有增加ip地址**
3.  IPv6协议：它是使用16个字节，128位来表示IP地址，此时增加了大量的IP地址解决IP不够用问题。但是目前并没有开始启用，只是某些路由器等设备支持了IPv6协议，一般默认关闭IPv6。

### 3. IP地址的组成 ###

ip地址分为两部分：

1.  网络号：表示网段（局域网），保证相互连接的两个网段具有不同标识。
2.  主机号：表示主机，同一局域网这主机之间具有相同的网络号，不同的主机号。

对于路由器 ：一个路由器有两个IP地址，WAN口IP和LAN口IP，分别在不同的局域网中，路由器的作用就是将两个局域网连接起来。我们上述讲到路由器替换IP地址，是将我们主机的IP地址（内网）替换成路由器的外网IP地址。

> LAN口（Local Area Network）：表示连接本地网络的端口，主要与家庭网络中的交换机、集线器或PC相连。  
> WAN口（Wide Area Network）：表示连接广域网的端口，一般指互联网。

如图：我们的电脑连接路由器的LAN口，路由器WAN口连接另一个路由器的LAN口（**连通另一个局域网**），此时绿色部分为一个局域网，路由器与另一个路由器也处一个局域网，另一个路由器LAN口也可以连接其他设备同处一个局域网。  
![在这里插入图片描述][1c3fdee295064ea586527921824aae64.png]

> DHCP协议

实际手动管理IP地址是一个非常麻烦的事情，当子网中新增主机时需要给其分配一个IP地址，当子网当中有主机断开网络时又需要将其IP地址进行回收，便于分配给后续新增的主机使用。

1.  因此对于IP地址的分配和回收一般不会手动进行，而是采用DHCP动态主机配置协议。
2.  DHCP通常被应用在大型的局域网环境中，其主要作用就是集中地址管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态获得IP地址Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。
3.  DHCP是一个基于UDP的应用层协议，一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器也可以看作一个DHCP服务器。

当我们连接WiFi时，如果验证通过，路由器就会给你动态分配了一个IP地址，然后你就可以基于这个IP地址进行上网。

**注意：** 在IP地址中网络号与主机号的划分界限是不一定的。主要有两种分类方式：

1.  IP地址划分类：这种方式比较繁琐目前已经不使用了。  
    划分方式如图所示：  
    ![在这里插入图片描述][576a16b1b9d740879f68d7c5551b63e4.png]  
    各类IP地址的取值范围如下:  
    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。
2.  子网掩码方式：子网掩码也是32位整数，我们可以通过ping查看电脑的子网掩码，表示形式与IP地址一样。

如图所示：站在二进制角度看左侧有几位1，对应的的IP地址的那些位就是网络号。  
![在这里插入图片描述][82924a691c084341964dd4f39aee5894.png]

以上则表示IP地址前24位都为网络号，剩下的为主机号，一般家用网络子网掩码一般为：255.255.255.0

\*\* 一些特殊的IP地址：\*\*

1.  将IP地址中的主机地址全部设为0，如：192.168.0.0；成为了网络号，代表这个局域网。
2.  将IP地址中的主机地址全部设为1，如：192.168.0.255；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。通常适用于不知道对方IP地址需要探测的情况下
3.  127.\* 的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1。**环回IP对应特殊的虚拟网卡，传输数据时没有IO操作，纯内存操作，所以比一般普通IP传输数据要快。**
4.  主机号为1，如192.168.0.1，一般作为网关IP（并不绝对），是局域网的出入口。

### 4. IP协议的路由选择 ###

路由器是不能将整个网络环境都记录下来的，只能记录周围的情况。  
所以我们在进行传数据时，就是一跳一跳（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数据包的传输过程中会遇到很多路由器，这些路由器会帮助数据包进行路由转发，每当数据包遇到一个路由器后，对应路由器都会查看该数据的目的IP地址，并告知该数据下一跳应该往哪跳。

**路由器的查找结果可能有以下三种**：

1.  路由器经过路由表查询后，得知该数据下一跳应该跳到哪一个子网。
2.  路由器经过路由表查询后，没有发现匹配的子网，此时路由器会将该数据转发给默认路由（更高一级的路由器记录着更多的数据可以查询）。
3.  路由器经过路由表查询后，得知该数据的目标网络就是当前所在的网络，此时路由器就会将该数据转给当前网络中对应的主机。

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