【计算机网络】初识IP协议

前言

IP协议，可谓是程序猿必备的基础功之一，这不仅仅是因为IP协议为面试的常客，更是因为IP协议为整个网络协议中最重要、最常被人接触的一种协议。例如IP地址就几乎为所有人所熟知的一种概念，无论是浏览网页、聊天、打游戏，都离不开IP地址，想必这也说明了其重要性了吧。掌握IP协议不仅能够让你在面试脱颖而出，更能提高你的作为程序员的内功，学习IP协议刻不容缓，从现在开始！！！

IP协议基础

概念

IP协议是一种不可靠的网络传输协议，对于数据的传输只是尽力而为，主要负责将数据传输到网络中唯一标识的目的地址。IP协议工作在TCP/IP模型中的网络层，负责为数据包分配源IP和目的IP，并将选择合适的路由将数据传输到目的地。

IP协议分为IPV4与IPV6，IPV6是用于解决IPV4地址耗尽问题而被设计出来的终极解决方案，但因为IPV6与IPV4兼容性不好，难以推广，所以当今主流的版本还是IPV4.

IP的报文格式

下图为IP的报文格式。

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
| 4位版本  |  4位首部长度  | 8位服务类型(TOS)|       16位总长度       | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
|         16位标识        |    3位标志    |     13位片偏移         | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
|      8位生存时间(TTL)    |   8位协议     |      16位首部校验和    | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
|                       32位源IP地址                            | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
|                       32位目的IP地址                           | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 
|              选项                       ｜         填充        | 
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
｜                          数据报                               ｜
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

• 版本：用于标识IP协议版本，如：IPV4则为4，IPV6则为6

• 首部长度：用于计算报头长度，计算方式为：首部长度 * 4

• 服务类型：一般服务有：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

• 总长度：IP数据报的总长度。

• 16位标识：用于标识报文的唯一性，当报文被分片时则分片的标识都一致

• 3位标识

  • 第一位：用于保留，暂时不使用
  • 第二位：标识为1则表示禁止IP数据报分片
  • 第三位：标识为1则表示数据报分片了，为0表示数据数据之后没有分片了

• 13位片偏移：用于标识分片的数据在原数据的位置，计算方式为

• 8位生存时间：用于标识数据最多能经过多少次路由转发，最多经过为255个路由转发。

• 8位协议：用于标识上层的协议，为TCP则交付给上层TCP协议…

• 16位首部校验和：用于检验是否头部是否损坏

IP地址

子网掩码

一个IP地址被划分成网络号与主机号，子网掩码是用于区别IP地址中网络号与主机号的手段，子网掩码通过与IP之地进行按位与来区别主机地址与网络地址。

工作原理：

例子：

192.168.1.128/26  // 十进制
11000000.10101000.00000001.10000000/26 // 二进制
11111111.11111111.11111111.11000000    // 掩码

// 主机号范围：
192.168.1.129 ~ 192.168.1.190
// 网络地址：
192.168.1.128
// 广播地址：
192.168.1.191
//计算过程：
根据最后6位掩码得出：可用主机地址数为63个。除去网络地址与广播地址则为61个。

IP地址分类

IP地址分为4类地址：

1. A类地址：0.0.0.0/8 ～ 127.0.0.0/8 为A类地址， 主机位有24位
2. B类地址：128.0.0.1/16 ～ 191.255.0.0/16 为B类地址，主机位有16位
3. C类地址：192.168.0.0/24 ~ 239.255.255.0/24 为C类地址，主机位有16位
4. D类地址：224.0.0.0 ～ 239.255.255.255 为D类地址，没有主机位，常用于多播。

特殊地址：

• 本地环回：127.0.0.0/8 的地址都为本地环回，数据只会在本机内传输

• 私网IP：私网IP指的是不会传入公网（互联网）的地址，设置之初用于本地网络的数据传输，私网IP有以下三类：

  1. 10.0.0.0~10.255.255.255 (10/8) ：能够容纳 $2^{24}$ 个主机，一般用于大型网络
  2. 172.16.0.0~172.31.255.255(172.16/12) : 能够容纳 $2^{20}$ 个主机，一般用于中型网络
  3. 192.168.0.0~192.168.255.255(192.168/16) : 能够容纳 $2^{16}$ 个主机，一般用于小型网络

• 广播地址：广播地址指的是主机位全为1的地址，如：192.168.255.255/16。广播地址允许设备将数据发送给同一网络中全部的主机。

• 网络地址：网络地址指的是主机为全为0的地址，如：192.168.0.0/16.网络地址用来标识所在子网的地址，用于确定IP所属网络。

IP协议工作原理

IP地址划分

当今世界上拥有70多亿人口，而IPV4地址使用32个bit位组成的，最多只能容纳42亿台主机，为了解决IPV4地址短缺的问题，世界各地的科学家们也是绞尽脑汁，最终得到了子网划分与NAT模式这两种最常用的解决方案。

子网划分

我们在前面已经了解了子网掩码，那么也该介绍子网掩码相关的子网划分了。世界上的网络分为4大类，但现实是我们不太可能会存在一个子网内存在数十万台主机的情况，直接使用A类、B类会造成极大的浪费，为了解决这种情况，子网划分技术被设计了出来。

工作原理

子网划分其实就是把主机号的一部分划分给网络号，让一个大的网络地址空间划分成若干个较小的、更容易管理的子网，从而提高网络地址空间的利用率与管理性。

可变掩码长度

子网划分通过掩码的确提高了网络的利用率，但实际上不是每个子网都需要如此大的主机范围。

例如：

1. 部门A需要500台主机
2. 部门B需要100台主机
3. 部门C需要50台主机。

像这种情况子网掩码如果保持一致，那么子网划分的效率将会降低不少，于是为了继续提高IP地址的利用率，可变长度子网掩码（VLSM）又由此诞生。

NAT模式

尽管子网划分技术提高了网络IP地址的利用率，但IP地址的总量也还是不会改变，如果每台主机都分配一个IP地址，那么还是远远不够的，毕竟当今人口70亿，而IP地址只有40亿个。

此时NAT技术便应声而起，_{公网IP不够，私网IP来凑}，NAT技术允许将主机私网地址转换成公网地址，从此NAT技术便成为最重要的解决IP数量不足的解决方案，以至于严重阻碍到IPV6的发展。

工作原理

NAT技术通过映射技术来实现私网到公网的转换，每个连接通过私网IP:端口->公网IP:端口的方式来进行映射，当端口有冲突时则随机选择一个端口。

NAT技术的小细节

• TCP与NAT：使用TCP连接时，NAT服务器会在接收到FIN信号时删除映射关系，如果连接长时间无响应则一般在5分钟后删除映射条目。

• UDP与NAT: 使用UDP连接时，NAT服务器会建立一个临时映射条目，如果连接长时间无响应则自动删除映射条目。

NAT的限制

• 无法直接访问位于NAT服务器后的主机。
• 映射条目的创建和销毁会损耗一定性能。
• 一旦NAT设备出现异常，所有的TCP连接都会断掉。

路由选择

IP协议不能仅凭自己就将数据发送到远端地址，为了将报文发送到合适的网络，IP报文需要交付给路由器，让路由器选择最适合的地址。

路由器中拥有着一种叫做路由控制表的数据结构，当IP报文被发送到路由器时，路由器会根据其路由控制表选择一个最匹配的IP地址，如果没有匹配的IP地址，则发送到默认路由。

路由选择类型

1. 静态路由：需要管理员手动设置路由表。
2. 动态路由：自动计算更新路由表。

IP相关协议

ICMP

无论你是否为一名程序猿，相信ping指令都多多少少有所了解，而这个ping指令便是利用了ICMP协议而实现的程序。ICMP协议是为了辅助IP协议而被设计出来的协议，因为IP协议无法确定远端IP地址是否存在，

工作流程

一般情况下，IP报文如果转发到路由器，发现目的IP地址不存在，那么路由器将会丢弃该IP报文，但如果IP报文封装上ICMP协议，则路由器将会把将错误原因返回填上到ICMP的报文中，并返回。

DHCP

DHCP是一种自动分配IP地址的协议，意在实现即插即用,也就是当设备连接上网络后，DCHP服务器（一般在路由器上）会自动为你分配一个闲置的IP地址，免除了每次添加设备都要分配IP地址的麻烦。

工作流程

• 发现阶段：首先发送一条广播信息（源ip:0.0.0.0, 目的ip:255.255.255.255）来发现DHCP服务器，DHCP发现信息后将返回一条DHCP提供包信息(包含可分配的IP、子网掩码、租约时间等).

• 请求阶段：客户端选择一个IP地址，并发送请求信息给DHCP服务器，表明接受服务。DHCP服务器收到信息后，发送一个DHCP确认信息给客户端，表明正式分配IP地址给客户端。

DNS

DNS是一种将域名转换为IP地址的协议，打比喻来讲DNS就像是手机中的电话簿，我们可以用名字来标明电话号码，这样我们便减少了通信的成本。

工作流程

1. 发送请求：用户向DNS服务器查询域名对应的IP地址。

2. 检查缓存：用户的请求会先发送到本地DNS服务器，DNS服务器会检查是否有该域名的缓冲，如果没有则递归查询。

3. 递归查询：本地DNS服务器没有域名信息，则会向根DNS服务器查询，层层向上查询，类似于在树中递归查找。

4. 返回结果：如果找到了结果则将结果返回给客户端。

总结

IP协议是一种不可靠的网络协议，主机需要访问互联网则必须要有公网IP，为了解决IP地址不足的问题，子网划分与NAT技术被发明了出来。为了更好的服务IP协议，像DNS、DHCP、ICMP等协议被设计出来，互联网技术的发展也离不开这些辅助的协议。