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文章目录

• IP协议
• • 基本概念
  • IP协议格式
  • 分片与组装
  • • 分片的过程
    • 组装的过程
  • 网段划分
  • 特殊的IP地址
  • IP地址的数量限制
  • 私网IP地址和公网IP地址
  • 路由
  • 路由表生成算法

IP协议

IP协议全称为“网际互连协议（Internet Protocol）”，IP协议是TCP/IP体系中的网络层协议。

基本概念

路径选择

• 目的地的确定是非常重要的，因为目的地直接决定了数据路由时的路径选择，这也是跨网络找到目标主机的根本。
• 只有数据经过了较为正确的路径选择，最终才可能慢慢趋近于目标网络或目标主机。

网络当中的路由器是“认识路的”，它们将自己的“认路经验”都记录到路由表当中，因此路由器可以通过查路由表找到去特定点的最短路径。因此数据在路由时，会不断通过路由器来进行路径选择，以此来一步步靠近目标网络或目标主机。

IP协议格式

• 4位版本号（version）：指定IP协议的版本（IPv4/IPv6），对于IPv4来说，就是4。
• 4位首部长度（header length）：表示IP报头的长度，以4字节为单位。
• 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。比如对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要，而对于ftp这样的程序，最大吞吐量比较重要。
• 16位总长度（total length）：IP报文（IP报头+有效载荷）的总长度，用于将各个IP报文进行分离。
• 16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片对应的id都是相同的。
• 3位标志字段：第一位保留，表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。第三位表示“更多分片”，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，则除了最后一个分片报文设置为0以外，其余分片报文均设置为1。
• 13位片偏移（framegament offset）：分片相对于原始数据开始处的偏移，表示当前分片在原数据中的偏移位置，实际偏移的字节数是这个值× 8 \times 8×8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位首部检验和：使用CRC进行校验，来鉴别数据报的首部是否损坏，但不检验数据部分。
• 32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端所对应的IP地址。
• 选项字段：不定长，最多40字节。

IP报头在内核当中本质就是一个位段类型，给数据封装IP报头时，实际上就是用该位段类型定义一个变量，然后填充IP报头当中的各个属性字段，最后将这个IP报头拷贝到数据的首部，至此便完成了IP报头的封装。

IP如何将报头与有效载荷进行分离？

IP分离报头与有效载荷的方法与TCP是一模一样的，当IP从底层获取到一个报文后，虽然IP不知道报头的具体长度，但IP报文的前20个字节是IP的基本报头，并且这20字节当中涵盖4位首部长度。

因此IP是这样分离报头与有效载荷的：

• 当IP从底层获取到一个报文后，首先读取报文的前20个字节，并从中提取出4位的首部长度，此时便获得了IP报头的大小size。
• 如果size的值大于20字节，则需要继续从报文当中读取size−20字节的数据，这部分数据就是IP报头当中的选项字段。
• 读取完IP的基本报头和选项字段后，剩下的就是有效载荷了。

IP如何决定将有效载荷交付给上层的哪一个协议？

基于IP协议的传输层协议不止一种，因此当IP从底层获取到一个报文并对其进行解包后，IP需要知道应该将分离后得到的有效载荷交付给上层的哪一个协议。

在IP报头当中有一个字段叫做8位协议，该字段表示的就是上层协议的类型，IP就是根据该字段判定应该将分离出来的有效载荷交付给上层的哪一个协议的。该字段是发送方的IP层从上层传输层获取到数据后填充的，比如是上层TCP交给IP层的数据，那么该数据在封装IP报头时的8位协议填充的就是TCP对应的编号。

8位生存时间

• 报文在网络传输过程中，可能因为某些原因导致报文无法到达目标主机，比如报文在路由时出现了环路路由的情况，或者目标主机已经异常离线了，此时这个报文就成了一个废弃的游离报文。

• 为了避免网络当中出现大量的游离报文，于是在IP的报头当中就出现了一个字段，叫做8位生存时间（Time To Live，TTL）。8位生存时间代表的是报文到达目的地的最大报文跳数，每当报文经过一次路由，这里的生存时间就会减一，当生存时间减为0时该报文就会被自动丢弃，此时这个报文就会在网络中消散

分片与组装

由于MAC帧无法发送大于1500字节的数据，因此IP层向下交付的数据的长度不能超过1500字节，这里所说的数据包括IP的报头和IP的有效载荷。

如果IP层要传送的数据超过了1500字节，那么就需要先在IP层对该数据进行分片，然后再将分片后的数据交给下层MAC帧进行发送。

如果发送数据时在IP层进行了分片，那么当这些分片数据到达对端主机的IP层后就需要先进行组装，然后再将组装好的数据交付给上层传输层。

注意：

• 数据的分片不是经常需要做的，实际在网络通信过程中不分片才是常态，因为数据分片会存在一些潜在的问题，比如分片可能会增加丢包的概率。
• 数据的分片和组装发生在IP层，不仅源端主机可能会对数据进行分片，数据在路由过程中的路由器也可能对数据进行分片。因为不同网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比源端网络的MTU小，那么路由器就可能对IP数据报再次进行分片。
• 分片数据的组装只会发生在目的端的IP层。
• 在分片的数据中，每一个分片在IP层都会被添加上对应的IP报头，而传输层添加的报头只会出现在第一个分片中，因此网络中传输的数据包可能没有传输层的报头。

数据的分片和组装都是由IP层完成的

传输层只负责为数据传送提供可靠性保证，比如当数据传送失败后，传输层的TCP协议可以组织进行数据重传。

• 当TCP将待发送的数据交给IP后，TCP并不关心该数据是否会在IP层进行分片，即TCP并不关心数据具体的发送过程。
• 当TCP从IP获取到数据后，TCP也不关心该数据是否在IP层经过了组装。

而链路层的MAC帧只负责，将数据从一个节点传送到和自己相连的下一个节点。

• 当IP将待发送的数据交给MAC帧后，MAC帧并不知道该数据是IP经过分片后的某个分片数据，还是一个没有经过分片的数据，MAC帧只知道它一次最多只能发送MTU大小的数据，如果IP交给MAC帧大于MTU字节的数据，那MAC帧就无法进行发送。
• 当MAC帧从网络中获取到数据后，MAC帧也不关心这个数据是否需要进行组装，MAC帧只需要将该数据的MAC帧报头去掉后直接上交给上层IP就行了，而至于该数据的组装问题则是IP需要解决的。

分片的过程

假设IP层要发送4500字节的数据，由于该数据超过了MAC帧规定的MTU，因此IP需要先将该数据进行分片，然后再将一个个的分片交给MAC帧进行发送。

IP报头如果不携带选项字段，那么其大小就是20字节，假设IP层添加的IP报头的长度就是20字节，并按下列方式将数据分片后形成了四个分片报文：

分片报文到达对方的IP层后需要被重新组装起来，因此IP层在对数据进行分片时需要记录分片的信息，而IP报头当中的16位标识、3位标志和13位片偏移实际就是与数据分片相关的字段。

• 16位标识：唯一标识主机发送的报文，如果数据在IP层进行了分片，那么每一个分片报文的16位标识是相同的。
• 3位标志：第一位保留，表示暂时没有规定该字段的意义。第二位表示禁止分片，表示如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃该报文。第三位表示“更多分片”，如果报文没有进行分片，则该字段设置为0，如果报文进行了分片，则除了最后一个分片报文设置为0以外，其余分片报文均设置为1。
• 13位片偏移：分片相对于原始数据开始处的偏移，表示当前分片在原数据中的偏移位置，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。

因此上述四个分片报文对应的16位标识都是一样的，假设四个分片报文的16位标识都是123，则这四个报文对应的16位标识、3位标志中的“更多分片”和13位片偏移分别如下：

需要注意的是，13位片偏移当中记录的字节数是当前分片在原数据开始处的偏移字节数的值÷ 8 \div 8÷8得到的，比如分片报文2在原始数据开始处的偏移字节数是1480，其对应的13位片偏移的值就是1480 ÷ 8 = 185 。

组装的过程

MAC帧交给IP层的数据可能来自世界各地，这些数据可能是经过分片后发送的，也可能是没有经过分片直接发送的，因此IP必须要通过某种方式来区分收到的各个数据。

• IP报头当中有32位源IP地址，源IP地址记录了发送端所对应的IP地址，因此通过IP报头当中的32位源IP地址就可以区分来自不同主机的数据。
• IP报头当中有16位标识，未分片的数据各自的16位标识都是不同的，而由同一个数据分片得到的各个分片报文所对应的16位标识都是相同的，因此通过IP报头当中16位标识就可以判断哪些报文是没有经过分片的独立报文，哪些报文是经过分片后的分片报文。

因此IP可以通过IP报头当中的32位源IP地址和16位标识，将经过分片的数据各自聚合在一起，聚合在一起后就可以开始进行组装了。

对于各个分片报文来说：

• 第一个分片报文中的13位片偏移的值一定为0。
• 最后一个分片报文中的“更多分片”标志位一定为0。
• 对于每一个分片报文来说，当前报文的13位片偏移加上当前报文的数据字节数÷ 8所得到的值，就是下一个分片报文的所对应的13位片偏移。

为什么不建议进行分片？

虽然传输层并不关心IP层的分片问题，但分片对传输层也是有影响的。

• 如果一个数据在网络传输过程中没有经过分片，那么只要接收端收到了这一个报文，我们就可以认为该数据被对方可靠的收到了。
• 而如果一个数据在网络传输过程中进行了分片，那么只有当接收端收到了全部的分片报文并将其成功组装起来，这时我们才认为该数据被对方可靠的收到了。
• 但如果众多的分片报文当中有一个报文出现了丢包，就会导致接收端就无法将报文成功组装起来，这时接收端会将收到的分片报文全部丢弃，此时传输层TCP会因为收不到对方应答而进行超时重传。
• 假设在网络传输时丢包的概率是万分之一，如果将数据拆分为一百份进行发送，那么此时丢包的概率就上升到了百分之一。因为只要有一个分片报文丢包了也就等同于这个报文整体丢失了，因此分片会增加传输层重传数据的概率。

需要注意的是，只要分片报文当中的某一个出现了丢包，此时传输层都需要将数据整体进行重传，因为传输层并不知道底层IP对数据进行了分片，当传输层发送出去的数据得不到应答时传输层就只能将数据整体进行重传，因此数据在发送时不建议进行分片。

如何尽可能避免分片？

实际数据分片的根本原因在于传输层一次向下交付的数据太多了，导致IP无法直接将数据向下交给MAC帧，如果传输层控制好一次交给IP的数据量不要太大，那么数据在IP层自然也就不需要进行分片。

• 因此TCP作为传输控制协议，它需要控制一次向下交付数据不能超过某一阈值，这个阈值就叫做MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度）。
• 通信双方在建立TCP连接时，除了需要协商自身窗口大小等概念之外，还会协商后续通信时每一个报文段所能承载的最大报文段长度MSS。
• MAC帧的有效载荷最大为MTU，TCP的有效载荷最大为MSS，由于TCP和IP常规情况下报头的长度都是20字节，因此一般情况下 MSS = MTU - 20 - 20，而MTU的值一般是1500字节，因此MSS的值一般就是1460字节。

所以一般建议TCP将发送的数据控制在1460字节以内，此时就能够降低数据分片的可能性。之所以说是降低数据分片的可能性，是因为每个网络的链路层对应的MTU可能是不同的，如果数据在传输过程中进入到了一个MTU较小的网络，那么该数据仍然可能需要在路由器中进行分片。

网段划分

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。

• 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（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）技术。
• 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。
• 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时需要输入密码，本质就是因为路由器需要验证你的账号和密码，如果验证通过，那么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地址进行各种上网动作了。

网段划分

子网划分

但随着网络的飞速发展，这种划分方案的局限性很快就显现出来了。

• 比如一些学校、公司、实验室等组织想要申请自己的局域网，由于A类地址的网络号只占7个比特位，因此A类地址可申请的网络只有2^7 个，于是大多数组织都选择申请B类地址。
• 由于B类地址的主机号占16个比特位，因此理论上一个B类网络当中允许有65536台主机。
• 但实际网络架设中，一般不会存在一个局域网当中有这么多主机的情况，也就意味着大量的IP地址实际都被浪费掉了。

为了避免这种情况，于是又提出了新的划分方案，称为CIDR（Classless Interdomain Routing）：

• 在原有的五类网络的基础上继续进行子网划分，这也就意味着需要借用主机号当中的若干位来充当网络号，此时为了区分IP地址中的网络号和主机号，于是引入了子网掩码（subnet mask）的概念。
• 每一个子网都有自己的子网掩码，子网掩码实际就是一个32位的正整数，通常用一串“0”来结尾。
• 将IP地址与当前网络的子网掩码进行“按位与”操作，就能够得到当前所在网络的网络号。

此时一个网络就被更细粒度的划分成了一个个更小的子网，通过不断的子网划分，子网中IP地址对应的主机号就越来越短，因此子网当中可用IP地址的个数也就越来越少，这也就避免了IP地址被大量浪费的情况。

• 比如在某一子网中将IP地址的前24位作为网络号，那么该网络对应的子网掩码的32个比特位中的前24位就为1，剩下的8个比特位为0，将其用点分十机制表示就是255.255.255.0。
• 假设该子网当中有一台主机对应的IP地址是192.168.128.10，那么将这个IP地址与该网络对应的子网掩码进行“按位与”操作后得到的就是192.168.128.0，这就是这个子网对应的网络号。
• 实际在用子网掩码与子网当中主机的IP地址进行“按位与”操作时，本质就是保留了主机IP地址中前24个比特位的原貌，将剩下的8个比特位的值清0了而已，也就是将主机号清0了，所以“按位与”后的结果就是该网络对应的网络号。

需要注意的是，子网划分不是只能进行一次，我们可以在划分出来的子网的基础上继续进行子网划分。

因此一个数据在路由的时候，随着数据不断路由进入更小的子网，其网络号的位数是在不断变化的，准确来说其网络号的位数是在不断增加的，这也就意味着IP地址当中的主机号的位数在不断减少。最终当数据路由到达目标主机所在的网络时，就可以在该网络当中找到对应的目标主机并将数据交给该主机，此时该数据的路由也就结束了。

特殊的IP地址

并不是所有的IP地址都能够作为主机的IP地址，有些IP地址本身就是具有特殊用途的。

• 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。

也就是说，IP地址中主机号为全0的代表的是当前局域网的网络号，IP地址中主机号为全1的代表的是广播地址，这两个IP地址都是不能作为主机的IP地址的。因此在某个局域网中最多能存在的主机个数是2^{主机号位数}-2。

IP地址的数量限制

IP地址数量不足问题

我们知道，IP地址（IPv4）是一个4字节32位的正整数，因此一共有2^32 个IP地址，也就是将近43亿个IP地址。但TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。

• 现在全世界人口已经有70多亿了，就算有一半的人没有智能手机，算下来也有30多亿台智能手机需要IP地址。
• 随着科技的发展，我们使用的电脑、智能手表、智能冰箱、智能洗衣机等设备如果要入网也是需要IP地址的。
• 另外，IP地址并不是按照主机台数来配置的，因此一个主机可能需要多个IP地址，更别谈还有很多组网的路由设备也需要IP地址，以及一些特殊的IP地址不能使用的问题。

所以43亿个IP地址其实早就不够用了，因此才提出了CIDR的方案对已经划分好的五类网络继续进行子网划分，其目的就是为了减少IP地址的浪费，根本原因就是IP地址本来就不够了，所以不能够再浪费了。

CIDR虽然在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，因为CIDR提高了IP地址的利用率，减少了浪费，但IP地址的绝对上限并没有增加。

如何解决IP地址不足问题

解决IP地址不足有以下几种方式：

• 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，避免了IP地址强绑定于某一台设备。
• NAT技术：能够让不同局域网当中同时存在两个相同的IP地址，NAT技术不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。
• IPv6：IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，能够大大缓解IP地址不足的问题。但IPv6并不是IPv4的简单升级版，它们是互不相干的两个协议，彼此并不兼容，因此目前IPv6还没有普及。

私网IP地址和公网IP地址

路由

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：

• 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。
• 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。
• 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。

路由表生成算法

路由可分为静态路由和动态路由：

• 静态路由：是指由网络管理员手工配置路由信息。
• 动态路由：是指路由器能够通过算法自动建立自己的路由表，并且能够根据实际情况进行调整。

路由表相关生成算法：距离向量算法、LS算法、Dijkstra算法等。

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