网络编程 - IP协议

news2024/9/21 19:09:31

一，IP协议格式

1.1 拆包组包

1.2 8位生存空间

二，地址管理

2.1 动态分配 IP

2.2 NAT 机制（网络地址转换）

2.3 IPv6

2.4 网段划分

三，路由选择

一，IP协议格式

4位版本：IPv4
4位首部长度：代表IP报头的长度，报头最短是20个字节(即没有选项)，最长是60个字节(即选项拉满)，虽然只有 4 bit ，但是此处的单位是4个字节，所以可以表示60个字节的长度。
8位服务类型：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：IP数据包的长度（0~64kb），虽然IP协议也存在64kb这样的大小限制，但是IP协议自身支持 "拆包组包" 这样的功能。
8位协议：描述该IP协议的载荷部分是一个UDP协议，还是一个TCP协议，要知道按照那种协议的方式来拆分。
16位首部校验和：这个校验和只是校验 IP首部，不管 IP数据的载荷部分，因为UDP/TCP协议自身有校验和
32位源IP地址/32位目的IP地址：本质上是一个32位整数，为了方便理解，写作点分十进制，比如：127.0.0.1

1.1 拆包组包

通过以下三个属性，来支持 IP 协议的拆包组包：

16位标识：如果16位标识相同，就说明它们是由一个同一个大包拆分成的小包
3位标志：有一位表示是否可以拆包，有一位表示是否是最后一个(即组包是否结束)，还有一位没什么用
13位片偏移：由该部分的大小表示组包时的前后顺序

1.2 8位生存空间

描述这个IP数据包，在网络上还能存活多久，TTL的单位是次数，IP数据包被构造出来的时候，会给TTL赋一个初始值(32，64....)，数据在转发过程中，每转发一次，TTL就 - 1，如果这个数据包转发了TTL次之后，还没有到达对方，就会被丢弃。

虽然可能会出现TTL耗尽还没有到达目的设备的情况，但是该机制还是很有用的，假设一个数据包的目的IP写错了，实际上不存在这个IP，那么这个数据包不可能到达目标，也不可能允许在网络上一直存在。

这有点类似于"六度空间理论" —— 理论上你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过六个，也就是说，最多通过6个中间人你就能够认识任何一个陌生人。这在现实中很难做到，因为不是每个朋友都能全力以赴的执行，但是在计算机中是可以的，网络环境中包含很多的路由器，每一个路由器都会转发给相邻的设备，所以出现TTL耗尽的概率很小。

二，地址管理

IP地址，是一个32位的整数，也就是说最多就只有4294967296个地址，而到目前为止，能够上网的设备远远超过了这个数字，如何解决 IP地址不够用的问题呢？

2.1 动态分配 IP

就是如果你这个设备不上网，就把分配给你的IP地址分配给别人去使用，这个方案提高了 IP 地址的利用率，但是没有增加 IP 地址的数目，也就是治标不治本。（虽然是一个过渡方案，但目前仍然广泛使用）

2.2 NAT 机制（网络地址转换）

将IP地址分成两个大类：

内网IP（局域网IP）：如果一个IP地址，是 10.* 或者 172.16.* - 172.31.* 或者 192.168.*，那么就称为内网 IP，在同一个局域网内部，内网IP是不能重复的；在不同的局域网中，内网IP是可以重复的。
外网IP（广域网IP）：除了内网IP，剩下的IP就是外网IP，外网IP必须唯一

注：NAT机制的本质上就是让一个IP地址，代表一批设备。

举个例子：比如有1~100的编号，要用这些编号表示更多的人。

方案一：一个编号表示一个人，那么只能表示100个人。

方案二：1~10这几个编号，每一个都表示一个班，每一个班都能有11~100这些编号的人。那么就可以表示900个人，NAT机制就类似于这个方案。

NAT机制是如何工作的？

但是这里还有一个问题，如果有多台设备同时访问同一个服务器，此时返回的响应，路由器设备要返回给哪个主机？此时我们就会使用端口号来区分。

那如果两个设备的端口号相同，路由器会主动把相同的端口，替换成不同的端口，路由器内部会记录它们的映射关系。

当前的网络环境，就是使用 NAT + 动态分配的方式来解决 IP地址不够用的问题。NAT机制最大的优势，就是他是一个 "纯软件的方案"(只要软件一升级就可以使用)，也正因为这个机制，局域网内部的设备能主动访问外网的设备，但是外网的设备无法访问内网的设备。

2.3 IPv6

IPv6使用16个字节来表示 IP 地址，也就是 2^128，这么大的数字足以给地球上的每一粒沙子都分配一个IP地址，而沙子是制造计算机的原材料，也就是说除非有一天我们走出地球，否则IP地址是不可能用完的。

2.4 网段划分

一个IP地址会分成两个部分，网络号(标识一个局域网) + 主机号(标识了局域网中的一个设备)，同一个局域网中的设备，网络号必须相同，主机号可以不同，两个相邻的局域网(通过一个路由器连接)，网络号不能相同。

一个IP地址，哪里是网络号，哪里是主机号是由子网掩码确定的，子网掩码也是一个32位的整数，但是它的左侧二进制位全是1，右侧全是0。而被标记成1的部分对应的IP地址就是网络号。比如：

如果一个IP地址，主机号全1，表示这个IP是一个"广播地址"，不能给一个具体主机分配；如果一个IP地址，主机号全0，当前这个IP表示网络号，代表一个局域网，不能给一个具体主机分配；如果一个IP是 127 开头的，此时这个IP就是一个环回IP，最常用的127.0.0.1，表示设备自身。主要用来进行一些测试。