网络原理之TCP_IP网络层IP协议_tcpip报文结构

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IP协议报文结构

网络地址管理

 方案1. 动态分配IP地址 

 方案2. NAT网络地址转换 

 方案3. 使用IPv6 

 网络号和主机号

 子网掩码

路由选择 

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网络层的主要工作就是：

1. 地址管理：对很多设备之间的地址进行管理。网络层中要从两个点之间找到一条具体的路径，就得先对路径的起点终点，和中间节点的地址管理起来，才能进行数据的传输；

2. 路由选择：也就是对两个节点之间的信息传输，进行路径规划。

IP协议报文结构

4位版本：指定IP协议的版本，此处的取值有IPv4和IPv6。(此处主要讲的是IPv4。)

4位首部长度：描述了IP报头多长(IP报头是可以变长的)，因为在报头中有一个选项部分，是可有可无的。此处首部长度的单位也是 4 个字节，跟TCP报文类似。

8位服务类型：实际上只有4位有效。这4位中只有一位可以是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：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。(理解)

16位总长度：描述了一个 IP数据包的长度(头部+载荷)，这个长度减去前面的 IP报头长度，剩下的就是载荷长度，一个完整的 TCP/UDP 数据报长度。

这是否就意味着一个IP数据报，最大只能传输64KB的数据了？确实是有这个限制的，但IP自身就支持对包的拆分和组装。一个IP数据报携带的数据载荷太长，超过了 64KB，就会在网络层针对数据进行拆分，把一个数据拆分成多个 IP数据报，再分别发送，然后接收方在进行重新拼接。

例如：

发送方：把100KB的数据，交给传输层(封装)，传输层交给网络层(封装)，网络层就把这个100KB的数据拆包成两份(比如是64KB+36KB)，再把这两份交给数据链路层，由以太网封装成两个数据帧。(实际上，IP协议拆包不一定就按照64KB为单位进行拆分，实际的单位往往更小，往往取决于数据链路层的情况。)

接收方：数据链路层，针对两个数据帧进行分用，得到两个IP数据报，交给网络层，网络层针对这两个IP数据报进行解析，把里面的载荷拼成一个，再交给传输层。

 这三位就是为了实现拆包，所引入的一些辅助机制。

16位标识：同一份数据拆成的多个包标识是一样的；

3位标志：表示的是结束标识；

13位片偏移：标识了多个包的先后顺序。(解决先发后至问题)

8位生存时间：标识一个数据报在网络上能够传输的最大时间。这个时间的单位不是"秒"，而是"次数"。一个数据报构造出来，都会有一个初始的生存时间数值，这个数据报每经过一次路由器转发，就减一。如果一直减到0，还没有达到目标，此时就认为这个包永远都到不了了，就可以丢弃了。 

8位协议：描述了当前载荷部分是属于哪个协议的。(TCP，UDP或者其他协议)

16位首部校验和：此处只需要针对首部进行校验，因为载荷部分(TCP/UDP数据报或其他)自身已经有校验和了。 如果发现校验和不一致，就会直接丢弃，IP不负责重传，如果上层使用的是TCP，TCP会在没有收到ack的时候进行重传。

 

32位源IP地址和32位目的IP地址是 IP协议中最重要的部分！！！

此处看到的是32位，但在日常中看到的一般都是 127.0.0.1 这种点分十进制的形式，使用三个 . 把32位，4个字节的数字给分隔开，分成4个部分，每个部分分别使用 0-255 十进制整数表示。

 32位数字，可以标识42亿九千万..个数字，但是期望使用这个表示全世界所有的上网设备(手机+pc+服务器+路由器+各自网络设备...)，在当今世界，显然是不现实的。

网络地址管理

 方案1. 动态分配IP地址 

 1. 动态分配IP地址，在设备没上线的时候，把该设备的IP地址分配给另一个上线的设备，此时就可以省下一批IP地址了。但这个方案没有从根本上增加 IP地址，只是提高了利用率，治标不治本。

 方案2. NAT网络地址转换 

 2. NAT网络地址转换。本质上是使用一个IP代表一批设备。然后在一批设备中，通过端口号来进行区分。

 在NAT背景下，就把 IP地址分为两个大类。

1. 内网IP(私网IP)：10.* ，172.16.* - 172.31.* ，192.168.* ；

通过cmd，ipconfig可以看到自己电脑的IP。可以观察到，电脑上的IP地址基本上都是属于局域网内部的私网IP形式。

2. 外网IP(公网IP) ：剩下的就都是外网IP了；

NAT要求，外网IP 必须是唯一的，内网IP可以在不同的局域网中重复出现。如果某个内网里的设备想访问外网的设备，就需要对应的NAT设备(路由器) ，把IP地址进行映射，从而完成网络访问。反之，外网的设备，是无法直接访问内网的设备的，不同局域网的内网的设备无法直接相互访问。

内网设备访问外网服务器的过程： 

 此时，只要我们的内网设备是经过运营商路由器转发给服务器，服务器看到的源IP就都一样，如果是多台设备同时访问同一个服务器，服务器的响应就会先发送给路由器，路由器再根据这些设备不同的端口号来进行区分，决定发给哪个设备。(此处的端口指的是传输层的端口号的端口)

因此，服务器能拿到的只是路由器的IP，而不能拿到我设备的内网IP。如果我的设备不主动和服务器进行联系，服务器也就不会知道我的设备的端口号，从而无法主动找到我的设备。 

NAT机制能够有效的解决IP不够用的问题，但是带来的副作用就是网络环境更加复杂了。

方案3. 使用IPv6 

3. IPv6：这个是从根本上来解决IP不够用的问题。

使用16个字节来表示 IP地址。

16个字节表示的地址数：42亿*42亿*42亿*42亿，这也就是一个天文数字了，对于当今的所有设备，一个设备一个IP显然是绰绰有余的。 

IPv6看起来很美好，但是如今世界上，仍然是以 NAT+IPv4+动态分配来进行网络组建的，真正使用到IPv6还是相对比较少的。  (但是目前国内的IPv6普及度是很高的！)

这里也推荐给大家一个很有意义，有关中国IPv6普及的视频：电子监听、全国断网，棱镜门背后，中国如何从末路狂奔到世界之巅_哔哩哔哩_bilibili

网络号和主机号

IP地址分为两个部分：网络号+主机号

网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；

主机号：标识主机，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；

例如一个常见的设定：192.168.1.2 ；网络号是192.168.1；主机号就是 2；

且当前的局域网下的设备，网络号就都是192.168.1，主机号是不同的！！！

如果局域网里的主机号相同，就没法上网了。

一个典型的局域网环境：(路由器一般都是有两个IP，分别属于不同的网段的，功能就是将两个局域网连接到一起)

 子网掩码

 一个IP地址，前面从哪到哪是网络号，后面从哪到哪是主机号，分界是怎么定的，这也就引出一个单独的概念：子网掩码。

子网掩码格式和 IP 地址一样，也是一个 32 位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字 “1” 表示， 1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0” 表示， 0 的数目等于主机位的长度。

也可以通过cmd，ipconfig来查看

常见的子网掩码：255.255.255.0 => 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 因此255.255.255就表示网络号；0就表示主机号；

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；

例如：192.168.0.255的主机地址为255，此时使用UDP往这个地址上发数据报，整个局域网所有设备都能够接收到。(UDP是天然支持广播的)

127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1

本机环回主要用于本机到本机的网络通信（系统内部为了性能，不会走网络的方式传输），对于开发网络通信的程序（即网络编程）而言，常见的开发方式都是本机到本机的网络通

信。

主机号为1，例如192.168.0.1，通常是"网关IP"

路由选择 

IP协议还有一个重要的功能：路由选择。

由于其复杂性，这里只是简单介绍。 

路由选择就是路径规划，但是由于网络环境的复杂性，任何一个节点(路由器)都是无法感知到网络环境的全貌的，因此路由选择的核心思路就是 "问路"。每个路由器都会保存一定的周围设备的信息(路由表)，每次有一个IP数据报经过路由器，就需要匹配路由表，看看接下来应该怎么传输。如果路由表上有匹配的项，就会直接按照要求的走就行，如果没有匹配的项，就会提供一个默认路径。每经过一个节点，生存时间就会减一，如果减到0了，还没有到，就说明这个包永远也到不了，就会被丢弃了。

对于路由选择，这只是和简单的描述，实际上是更加复杂的。