Java EE|TCP/IP协议栈之网络层IP协议详解

怼烎@ 2024-03-26 13:58 83阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*   *  一、IP协议感性认知
     *   *  简介
         *  特点
     *  二、IP协议报头结构
     *   *  4位版本
         *  4位首部长度
         *  8位服务类型
         *  16位总长度
         *  16位标识
         *  8位生存时间（TTL）
         *  8位协议
         *  16位首部长度
         *  32位源ip&32位目的地址
     *  三、网络地址管理
     *   *  网段划分
         *  路由选择
     *  参考

### 一、IP协议感性认知 ###

#### 简介 ####

P是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。

IP位于TCP/IP模型的网络层(相当于[OSI][]模型的网络层)，它可以向传输层提供各种协议的信息，例如TCP、UDP等；对下可将IP信息包放到链路层，通过[以太网][Link 1]、令牌环网络等各种技术来传送。

IP所提供的服务大致可归纳为两类：

*  IP信息包的传送。
 *  IP信息包的分割与重组。

协议版本：ipv4、ipv6【其中v为version】

#### 特点 ####

适应性强、简洁、可操作性强、可靠性较弱，可能会出现丢包、重复、乱序的情况。

### 二、IP协议报头结构 ###

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YVyBHiKe-1677291085911)(F:\\typora插图\\image-20230224213151601.png)\]][img-YVyBHiKe-1677291085911_F_typora_image-20230224213151601.png]

#### 4位版本 ####

声明ip协议版本，取值范围为\{4,6\}。这里边主要介绍ipv4。

#### 4位首部长度 ####

由于ip报头有一个选项的部分，是变长的，所以需要一个专门的变量标志ip报头有多长。

单位为4字节。2^4=16，即表示的范围为`0*4~15*4`即`0~60`

#### 8位服务类型 ####

服务类型，即Type Of Service，简称TOS。

实际上只有4位有效，这四位只有一位是1，其他都是0。

4位就表示ip协议的四种形态/四种工作模式。分别是最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

*  最小延时：表示当前模式选择是包裹最快送达
 *  最大吞吐量：单次送的“快递”最多
 *  最高可靠性：丢的概率最小（但还是比不上TCP）
 *  最小成本：运送时消费最低。

注意：他们四个是互斥的，不可以同时选择！！具体选择哪个需要看业务要求

不过实际开发中因为它有一个默认的值，并且影响不太大，所以很少单独去设定。

#### 16位总长度 ####

它描述了一个ip数据包的长度。

总长度=ip数据头+载荷（一个完整的TCP/UDP数据包长度）

> 这里16位并不代表着一个ip数据包最大只能表示的范围是64kb？

答：是也不是，因为ip本身支持对包的拆分和组合，一个IP数据包携带载荷太长了，超过了64kb，就会在网络层进行数据进行拆分。把一个数据拆分成多个ip数据报，再分别发送，接收方再重新拼装。

这里拆分的单位也不一定就恰好是64kb.可能会更小。这里取决于数据链路层的情况（相当于取决于路况，拥挤了就少量多次嘛）

#### 16位标识 ####

它标识同一个数据拆成多个包的标识。

3位标志：结束标志（null）

13位片偏移：标识了多个包的先后顺序。

这两个物理量都是辅助拆包的字段。

#### 8位生存时间（TTL） ####

TTL是Time To Live的缩写，是一个数据在网络上能够传输的最大时间。

它的单位并不是想当然的s/ms，而是次。

对于这个次，我们怎么理解呢？一个数包构造出来，会有一个初始的TTL值。这个数据报每经过网络转发设备一次，TTL的值都会减1。当这个值变成0时，还没到终点，那么计算机就认为它永远也到不了，可以丢了。

#### 8位协议 ####

描述了当前载荷部分内容属于哪个协议的TCP/UDP。

#### 16位首部长度 ####

只校验首部，因为载荷自身协议已经有校验和了~~

#### 32位源ip&32位目的地址 ####

这是ip协议报头中最重要的部分。在这部分，我们需要理清楚下边这几个问题：

1.  点分十进制是什么？它有什么意义？
    
    在计算机中，源ip地址和32位目的ip是实打实的32位2进制数字。而我们通常看到的却不是这样的，我们看到的通常是类似这样`61.185.187.142`的一串数字。
    
    这其实就是我们所说的点分十进制，这是给我们看的，上边的32位2进制数字是给电脑看的。这是转成了分割开来的4个字节，每部分用0255即0FFH标识。
2.  IP地址相同了怎么办？
    
    我们总是期待每个设备的ip都不同。但是随着信息技术的发展，ip貌似是不够用的。这怎么说？智能手机、电脑的普及、物联网技术的发展，必然会导致大量的ip被分走。那么ip地址不够用貌似也不是太遥远的事情。
    
    那么我们应该怎么办呢？解决方案很多，例如：
    
     *  动态分配ip地址
        
        不用了回收ip地址。虽然这也是一种可行的办法，但是这样治标不治本，极端情况下，倘若某个时刻，全部的网络设备都想要连接网络，那恐怕也是不行的。
     *  NAT网络转换
        
        什么是NAT网络转换
        
        > NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:例如，很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP。全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的 。
        
        NAT技术是是路由器的一个重要功能 ，本质上是使用一个ip代表一批ip。
        
        ![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-grc0i19l-1677291085913)(F:\\typora插图\\image-20230225085532461.png)\]][img-grc0i19l-1677291085913_F_typora_image-20230225085532461.png]
        
        NAT机制，可以有效的解决ip不够用的问题。但同时也带来了副作用：网络环境更加复杂 了……
     *  ipv6
        
        它从根本上解决了ip不够用的问题。为什么这么说呢？我们来看数据：ipv6使用16个字节表示Ip地址，那也就是128个比特位，对应的ip地址范围就是0~2^128-1即`42亿*42亿*42亿*42亿`，显然这是一个极大的数据。
        
        虽然ipv6很好，但是现在我们全面还没有启动。同时ipv4和ipv6网络互不相同，也就是说他们不兼容。
        
        有一些网络设备，可以把ipv6和ipv4之间相互转换，近几年的路由器都是同时支持ipv4和ipv6的。

### 三、网络地址管理 ###

#### 网段划分 ####

ip地址分为两部分：网络号和主机号。其中网络号标识局域网，主机号标识主机。

例如：192.168.0.10中，前三个字节表示的就是网路号，最后一个字节表示的就是主机号。

下边我们结合一个典型的局域网环境进行进一步说明：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BfkIitm8-1677291085913)(F:\\typora插图\\image-20230225094339185.png)\]][img-BfkIitm8-1677291085913_F_typora_image-20230225094339185.png]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-q5z5ChFO-1677291085914)(F:\\typora插图\\image-20230225094402808.png)\]][img-q5z5ChFO-1677291085914_F_typora_image-20230225094402808.png]

网络号和主机号的划分都是可以动态调整的，并不一定前三个字节一定是网络号，最后一个是主机号。

那么究竟怎么划分呢？有没有什么可以参考的规则呢？

这里涉及到一个概念：子网掩码

> 子网掩码 (subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。. 子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。. 子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。. 子网掩码是一个32位地址，左边全为1，右边全为0，1的部分描述了用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。子网掩码的设定必须遵循一定的规则。

对于家用设备而言，最常见的子网掩码就是255.255.255.0。

特殊的IP：

> 局域网：IP地址中的主机地址全部设成0即全都是网络号
> 
> 广播地址：主机地址全部设成1，就是广播地址
> 
> 环回地址：主要用于测试。`127.*.*.*`，通常是127.0.0.1
> 
> 主机号位1，比如192.168.0.1，通常是网关IP，但是不绝对，都是可以配置的。

#### 路由选择 ####

IP协议这里还涉及到一个路由选择，这里很复杂，但面试不考，我们这里有个了解即可。

路由选择就是规划路径。因为网络环境非常复杂，所以路由器很难感知到网络的全貌，它最多认识附近。换而言之，数据报在转发的过程中，需要边走边问。

每个路由器都会保存一定范围设备的信息，保存这些内容的叫做路由表。每有一个ip包经过路由器就需要匹配路由表，看怎么走，如果有匹配项就接着走，若没有，会提供一个默认路径，但是若同时TTL变成0了，它就迷路了，这个包就丢了。

### 参考 ###

> [路由器的LAN口和WAN口][LAN_WAN]
> 
> [IP协议][IP]

[OSI]: https://baike.baidu.com/item/OSI/5520?fromModule=lemma_inlink
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E4%BB%A5%E5%A4%AA%E7%BD%91/99684?fromModule=lemma_inlink
[img-YVyBHiKe-1677291085911_F_typora_image-20230224213151601.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/be1633510e9f4033942ce572c0ced095.png
[img-grc0i19l-1677291085913_F_typora_image-20230225085532461.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/914f991806bf40a0ba7484ac16d10e52.png
[img-BfkIitm8-1677291085913_F_typora_image-20230225094339185.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/e7abed003c9346d7a0052a600790009a.png
[img-q5z5ChFO-1677291085914_F_typora_image-20230225094402808.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/26/066e1404e5af4a72a356742ad2bad0da.png
[LAN_WAN]: http://t.csdn.cn/LTGN5
[IP]: https://baike.baidu.com/item/IP/224599