网络层重点协议——IP协议详解
✏️✏️✏️今天给大家分享的是网络层的重点协议——IP协议。
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目录
一、IP 协议格式
二、认识 IP 地址
2.1 概念
2.2 作用
2.3 格式
2.4 组成
2.5 分类
2.6 特殊的IP地址
2.7 子网掩码
2.7.1 格式
2.7.2 作用
2.7.3 计算方式
三、NAT 机制
一、IP 协议格式
- 4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
- 4位头部长度（header length）：IP头部的长度是多少个32bit，也就是 length * 4 的字节 数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度是60字节。
- 8位服务类型（Type Of Service）：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（total length）：IP数据报整体占多少个字节。
- 16位标识（id）：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位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。类似于一个结束标记。
- 13位分片偏移（framegament offset）：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（Time To Live，TTL）：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。
- 16位头部校验和：使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。
- 32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。
- 选项字段（不定长，最多40字节）：不做介绍
二、认识 IP 地址
2.1 概念
IP 地址（ Internet Protocol Address ）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。
2.2 作用
IP 地址是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
2.3 格式
IP 地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割为 4 个 “8 位二进制数 ” （也就是 4 个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110 。
通常用 “ 点分十进制 ” 的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（ a,b,c,d 都是 0~255 之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。
IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。IPv4数量=2^32，大约43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。对于全世界计算机来说，这个数量是不够的，所以后来推出了IPv6（长度128位，是IPv4的4倍）。但因为目 前IPv4还广泛的使用，且可以使用其他技术来解决IP地址不足的问题，所以IPv6也就没有普及。
2.4 组成
IP 地址分为两个部分，网络号和主机号：
- 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
通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的 IP 地址都是唯一的。
那么，如何划分网络号和主机号呢？
2.5 分类
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，如下图所示：
2.6 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
- 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
在上述的分类中，存在IP地址浪费的问题：
- 单位一般会申请B类网络（C类连接主机数量有限），但实际网络架设时，连接的主机数量又常远小于65534（B类连接主机数），造成IP地址浪费；同理，A类网络的IP地址也会造成大量的浪费。
- 当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时，如果在申请新的网络就会造成浪费。
为了解决以上问题，引入子网掩码来进行子网划分。
2.7 子网掩码
2.7.1 格式
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。 子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示。
2.7.2 作用
- 划分A，B，C三类 IP 地址子网：
如一个 B 类 IP 地址： 191.100.0.0 ，按 A ~ E 类分类来说，网络号二进制数为 16 位网络号 +16位主机号。 假设使用子网掩码 255.255.128.0 （即 17 ） 来划分子网，意味着划分子网后，高 17 位都是网络位 / 网络 号，也就是将原来 16 位主机号，划分为 1 位子网号 +15 位主机号。
此时， IP 地址组成为：网络号 + 子网号 + 主机号，网络号和子网号统一为网络标识（划分子网后的网络号 / 网段）
- 网络通信时，子网掩码结合IP地址，可以计算获得网络号（划分子网后的网络号）及主机号（划分子网后的主机号）。一般用于判断目的IP与本IP是否为同一个网段。
对于网络通信来说，发送数据报时，目的主机与发送端主机是否在同一个网段，流程是不一样的。
2.7.3 计算方式
- 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。
- 将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。
示例：
关于IP协议还有一个重要功能——路由选择(数据报在IP协议下如何传输)
路由器转发的过程类似于问路的过程，每个路由器内部都有一个数据结构——路由表。数据报到达路由器，就查询路由表。若查到就直接按照这个方向转发。否则路由器给一个默认的方向，沿着默认方向走。
三、NAT 机制
IPv4 协议中， IP 地址数量不充足，那么如何解决这个问题呢？
NAT 技术当前解决 IP 地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能：
- 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
- 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路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37
- NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10
- 在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表
- 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系
NAPT 工作过程
那么问题来了，如果局域网内，有多个主机都访问同一个外网服务器，那么对于服务器返回的数据中，目的IP 都是相同的。那么 NAT 路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机？
这时候NAPT来解决这个问题了，使用IP+port来建立这个关联关系：
这种关联关系也是由 NAT 路由器自动维护的。例如在 TCP 的情况下，建立连接时，就会生成这个表项，在断开连接后，就会删除这个表项。
NAT 技术的缺陷
- 无法从NAT外部向内部服务器建立连接
- 转换表的生成和销毁都需要额外开销
- 通信过程中一旦NAT设备异常，所有的TCP连接都会断开
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