参考模型和协议栈

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IP协议

IP协议定义了网络层数据传送的基本单元，也制定了一系列关于网络层的规则。

IPv4数据报

网络层的协议数据单元PDU 叫做分组；网络层的传输单位 叫做数据报。
协议数据单元PDU是对等实体之间传输的单元，传输层是某一层能够通过的数据包大小。
用一个例子：由于安排，需要把一整个班级的人发送到安全通道2-A，路径只能1-A->1-B->2-B->2-A，那么1-A的协议数据单元就是“整个班级”。1-A层每次只能传送2个人，那么“2个人”就是1-A的传输单元。
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IP协议定义网络层传输的基本单元，IP协议有IPv4和IPv6，IPv4依然是现在比较常用的IP协议。

IP数据报格式

IP数据报格式如下
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IP数据报格式很重要，我的记忆口号：“六块肌肉，四块腊肉”。描述了IP数据报的大致格式，只要有大致格式我们就可以比较熟练的记忆。“六块肌肉”上面一部分就像六块肌肉一样，而下面4个横格子我把它记作“腊肉”，因为腊肉在我这个地方是类似于长方形的（实际上是长长的刀把形）。
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（1）4位版本：指出IP协议使用的版本，如果用的是IPv4，那么版本号就是4
（2）4位首部长度：指出这个数据报的首部有多大，如果没有选项，首部长度为20字节
（3）16位总长度：指出这个数据报整体有多大，首部+数据的大小，不能超过数据链路层规定的最大传输单元MTU。以太网帧的MTU是1500B
（4）16位标识：是一个计数器，每产生一个数据报就+1，但它不是序号，用来标识主机发送的报文。如果在数据链路层被分片了，每一个片里的这个标识都一样，方便重装。
（5）3位标志：第一位保留（现在不用）；第二位是DF，DF=0表示允许分片；第三位是MF，MF=1表示后面还有分片；
（6）16位片偏移：相对于原IP数据报的偏移量，以8字节位为偏移单位，除了最后一个分片，每个分片的长度必须是8B的整数倍，否则报文就不连续了。
（7）8位生存时间：这个数据报最多可以经过几个路由器，用来确保它不会永远在网络中循环。分组转发前，生存时间-1。生存时间为0，丢弃。
（8）8位协议。指出交给网络层的数据使用的是什么协议，方便拆包时清楚知道用什么协议。
（9）16位首部校验和：使用循环冗余码CRC进行差错校验。

IPv4地址

连接到因特网的每一台主机或路由器都会分配一个32位的唯一标识符，叫做IP地址。IP地址由机构ICANN进行分配。早期的IP地址被分成5类。
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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

不论是哪一类IP地址，都由网络号和主机号组成，{网络号.主机号}。
网络号标识主机或路由器连接的网络，所以网络号必须唯一。
主机号标识主机或路由器，IP地址中，同一个网络号的主机号需要不同。

注意
（1）一个网络的网络号是唯一的，如果一个主机同时连接到两个网络，那么这个主机必须要有2个IP地址。路由器是常见的连接多个网络的设备，所以路由器至少拥有2个IP地址。
（2）使用转发器或网桥连接的若干LAN仍然处于同一个网络，它们使用相同的网络号。
（3）分配到网络号的网络都是平等的

特殊IP地址

主机号全为0，IP地址是一个是网络号，表示这个网络本身。如202.98.174.0
主机号全为1，IP地址是这个网络的广播地址。如202.98.174.255
127.X.X.X，叫做环回自检地址。这个IP地址表示任意主机本身，目的IP地址为环回自检地址的数据报不会出现在网络上。通常是127.0.0.1
32位全为0，表示本网络上的本主机
32位全为1，即255.255.255.255是TCP/IP网络的广播地址。路由器会隔离广播域，所以我们在使用这个IP地址的时候，它等效于本网络的广播地址。

私有IP地址和公有IP地址

有一些组织会自己组建一个局域网，并不需要连接上因特网。但是它们内部的每台主机也都需要IP地址，鉴于这种情况，将IP地址划分成了私有IP地址和公有IP地址。私有IP地址用于局域网LAN，公有IP地址用于广域网WAN。如果这个网络现在需要连接因特网，就需要通过网络地址转化NAT将私有IP地址转换成因特网中合法的全球IP地址。私有IP地址可以被局域网LAN重复使用，所以私有IP地址又叫可重用地址。这种机制有效解决了IP地址不足的问题。

私有IP地址网段：
A类：2⁰个A类网段。10.0.0.0~10.255.255.255
B类：2⁴个B类网段。172.16.0.0~172.31.255.255
C类：2⁸个C类网段。192.168.0.0~192.168.255.255

采用私有IP地址的互联网络，叫做专用互联网或本地互联网。专用互联网如果要和因特网连接，它们之间的路由器必须安装网络地址转换NAT软件，这个路由器至少需要有一个有效的外部全球IP地址。
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NAT路由器里有一张表，表里保存着{本地IP地址：端口}–>{全球IP地址：端口}的映射关系。

子网划分

使用{网络号.主机号}2级IP地址的网络中，空间利用率比较低，并且不够灵活。1985年起，提出了三级IP地址的概念。三级IP地址就是在二级IP地址的基础上，把主机号靠近网络号那部分归为子网号字段。这种做法叫做子网划分。

子网划分属于一个组织内部的事情，对外没有子网的概念。
其他网络发给这个组织的数据报，先根据网络号，把IP数据报发到这个组织网络上的路由器。然后再根据网络号和子网号找到目的子网，最后把数据报发送到目的主机上。
根据IP数据报的首部，没有办法判断对应的网络是否进行了网络划分
路由器所选用的路由选择软件，有一些不支持全1或全0的子网号
子网中主机号全为0的地址是子网的网络号；主机号全为1的地址是子网的广播地址

由于根据IP数据报没有办法判断对应的网络是否进行了子网划分，所以引入了子网掩码的概念。子网掩码是一个32位的二进制串，和IP地址对应。1对应网络号和子网号，0对应主机号。将IP地址和子网掩码按位与就得到了子网的网络号。
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路由器不仅要包含目的网络地址和 达到目的网络路径上的下一个路由器的IP地址，还要包含目的网络的子网掩码。