网络层——IP协议

协议格式

• 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4
• 4位首部长度：标识IP报头的长度，最小20字节（固定报头），最大60字节（0~40的选项数据）
• 8位服务类型：3位优先权字段(已经弃用)，4位TOS字段，和1位保留字段(必须置为0)。4位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个
• 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，那么每一个片里面的这个id都是相同的
• 3位标志：第一位保留（0），第二位禁止分片，第三位分片标志，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。实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)
• 8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环
• 8位协议：表示上层协议的类型，方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。
• 16位首部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：发送端和接收端
• 选项：最多40个字节，不定长。

网段划分

IP地址由两部分组成，网络号和主机号

• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识
• 主机号：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

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起。
如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复
合理的设置网络号和主机号就能保证相互连接的网络中每台主机的IP都不一样。但是手动管理却很麻烦

• DCHP技术能够自动给子网内新增的主机节点分配IP地址
• 一般的路由器都带有DCHP功能，因此路由器也是一个DCHP服务器。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类

• 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
  

但是这种方案存在缺陷，随着Internet的飞速发展，大多数组织都选择申请B类网络地址，导致B类网络地址很快就用完了，但是理论上B类的子网可以容纳6万5千多的主机，A类容纳的主机就更多了，在实际中，不会存在一个子网内有这么多的主机，导致了大量的浪费。

新的划分方案：CIDR
引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号
子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串 “0” 来结尾
将IP地址和子网掩码进行 “按位与” 操作，得到的结果就是网络号
网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关

子网掩码和IP地址按位与的结果就是网络号
子网掩码取反就是当前网络最大主机号
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0

特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网
• 将IP地址中的主机地址全部设为1，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
• 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1

IP地址的数量限制

IP地址(IPv4)是一个4字节32位的正整数。那么一共只有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右。而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。实际上由于一些特殊IP的存在，我们能使用的数量远不足43亿，更何况现在的人不仅有电脑，还有手机平板，这些都要分配IP，CIDR虽然在一定程度上减少了浪费，但是IP地址数量还是不够，所以有三种方式解决

1. 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址。因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的
2. NAT技术
3. IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版。这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容，IPv6用16字节128位来表示一个IP地址， 但是目前IPv6还没有普及

私有IP地址和公网IP地址

10 .*，前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16.到172.31.，前12位是网络号，共1,048,576个地址
192.168.* ,前16位是网络号，共65,536个地址 包含在这个范围中的, 都成为私有IP,，其余的则称为全局IP(或公网IP)

• 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)
• 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中
• 不同的路由器，子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)。子网内的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复了
• 每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点。这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)