前言：

在学习IP协议i前，我们其实知道网络协议栈是一层层的，上层封装好之后就传给下层，对于我们治安学习到的TCP协议，在对数据进行封装之后，并不是直接就将数据进行传输，而是交给下一层网络层进行传输，将数据通过网络形式从一台主机传输到另一台主机。我们的TCP只是给我们网络层，提供了许多可靠性策略，但是数据的传输并不是直接靠TCP。

实际上IP协议已经可以帮我们跨网络传输数据，但是并不能保证每次数据都是可靠的，安全的传输，通过TCP协议提供的策略，基本上数据传输时完全可靠的，安全的。

IP协议

 首先从一台主机到另一台主机，进行数据传输的过程中首先要进行源地址与目的地址的确定，即从源ip到目的ip，其次就是进行路段的选择，即路由选择。

而ip地址就是由两部分组成：目标网络+目标主机。先到达目标的网络区域，在确定是哪一台主机。ip地址通过这种方式，在进行网络通信的过程中，就能有较高的效率去排除，知道知道对应的目标主机。

IP协议的报头

关于ip的报头还是主要有两个问题：

1.报头与载荷的有效分离 

靠固定长度加自描述字段进行分离，如这里的报头总共20字节，剩下的为数据，其次还有4位首部长度（一个字节4位）。子描述字段报头首部+总长。

 2.将有效载荷交付给上层。

有8位协议字段表示要交付的上层协议。

网段划分

我们知道ip地址有网络好于主机号构成：

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。

主机号：同一网段中，主机间有相同的网络号，因此靠主机号唯一识别。

主机之间通过路由器在网络层上跨网段传输数据，实际上路由器可以是一个个子网的主机，需要对齐进行配置ip地址。一个路由器相当于在两个子网中。

根据主机与网络号不同的位数，我们就可以对ip地址进行划分。IPv4下总共用32位标识：

随着 Internet 的飞速发展 , 这种划分方案的局限性很快显现出来 , 大多数组织都申请 B 类网络地址 , 导致 B 类地址很快就 分配完了, 而 A 类却浪费了大量地址 ;

例如 , 申请了一个 B 类地址 , 理论上一个子网内能允许 6 万 5 千多个主机 . A 类地址的子网内的主机数更多 .

然而实际网络架设中 , 不会存在一个子网内有这么多的情况 . 因此大量的 IP 地址都被浪费掉了 .

针对这种情况提出了新的划分方案 , 称为 CIDR(Classless Interdomain Routing):

引入一个额外的子网掩码 (subnet mask) 来区分网络号和主机号 ;

子网掩码也是一个 32 位的正整数 . 通常用一串 "0" 来结尾 ;

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 ;

网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、 B 类还是 C 类无关 ;

除此之外也有一些特定格式的特定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

我们知道ip地址的数量是有限的，并且数量是越来越少，为了较少ip地址的浪费，提高利用率，用了三种方式来解决：

公网IP与私网IP

其次ip地址也被被硬性划分为公网ip和私网ip。（规定组建局域网的必须是私有ip）

我们在日常生活过中使用的一般都是直接的私网ip。不过对于我们使用的云服务器，这是事公网ip。

如果一个组织内部组建局域网 ,IP 地址只用于局域网内的通信 , 而不直接连到 Internet 上 , 理论上 使用任意的 IP 地址都 可以, 但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址

10.*, 前 8 位是网络号 , 共 16,777,216 个地址

172.16. 到 172.31. , 前 12 位是网络号 , 共 1,048,576 个地址

192.168.*, 前 16 位是网络号 , 共 65,536 个地址

包含在这个范围中的 , 都成为私有 IP, 其余的则称为全局 IP( 或公网 IP);

理解运营商和全球网络

我们先来理解运营商：

运营商其实就是建设了网络基础设施的大型企业，负责让我们中国的每一个人用到互联网，为我们配备网络的。所以在网络通信时，首先要经过运营商。

全球网络

 ip地址就相当于是一个巨大的资源，因此就需要对资源进行划分，我们简单地以国家为个体进行划分（公网ip）：

内网路由器就是由家庭管理，先来自运营商内部的子网，子网的路由器网络从广域网来，而广域网就是一些大公司组建的机房。

ip路由

路由器在进行数据传输中，如何选择其他网段呢，首先会将自己的ip地址与其他路由器的子网掩码按位与，如果结果是ip地址，就说明是传输的网段，就交给目标主机，如果不匹配，他回去再路由表按位与，找到你需要那个路由器的接口，从该接口转发给下一个路由器。

路由表可以使用 route 命令查看

如果目的 IP 命中了路由表 , 就直接转发即可 ;

路由表中的最后一行 , 主要由下一跳地址和发送接口两部分组成 , 当目的地址与路由表中其它行都不匹配 时, 就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

再往下，我们知道数据并不会直接就发送到网络层了，而是发送给数据链路层了，数据链路层是有要求的，要求一次不能发送太多的数据报，而此时的封装后的ip数据包已经很大了，所赐此时需要对ip数据包进行分片，并且在处理之后进行组装。

如何进行分片与组装呢：这里就看的是ip协议包头中的3位标志字段，其中只有第二位与第三位有含义，第二位为0，表示允许分片，第三位表示结束标记（是否是最后一个小包）。

数据链路层

数据链路层实现了一个区间内的通信（一跳），而IP实现的是直至到最终目的通信（点对点）。

数据链路层处理的是：直接相连的主机之间进行数据交付的问题。

而MAC地址区分了一个局域网中特定的主机。

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址 ( 也叫 MAC 地址 ), 长度是 48 位 , 是在网卡出厂时固化的 ;

帧协议类型字段有三种值 , 分别对应 IP 、 ARP 、 RARP;

帧末尾是 CRC 校验码

报头域有效载荷如何分离，怎么判断分用呢？

 还是一样，采用定长的报文格式，可以看到14字节的报头，剩下的就是有效载荷。

报头的前6个字节目的主机MAC地址，之后的6字节为u源主机MAC地址，之后的两个字节标识上一层协议的类型。

认识MAC地址

MAC地址用于一个局域网内的网络设备寻址和传输数据，MAC地址是硬件地址，是不可被修改的，（其实是网卡的地址），也是用来唯一标识一个局域网中的网络设备。

IP地址可以进行不同网段之间的划分，用于不同网段之间数据的传输和路由，是一种标识主机的逻辑地址。

随着局域网增多，数据在传输过程中就有大概率会发生碰撞，为了应对这一问题，于是又出现了交换机，交换机管理者与它相连的路由器的通信。

认识ARP

虽然我们在这里介绍ARP协议, 但是需要强调, ARP不是一个单纯的数据链路层的协议, 而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议。

数据链路层获取到了上层封装后的ip数据帧，可以进行网络传输，但是网络通信不仅仅看ip地址，这只是表示主机的，那么主机上的网络设备呢？是靠MAC地址标识的，找不到目的网络设备的地址先进行处理，就算找到了该主机，还是会丢弃数据包的。

源主机发出 ARP 请求 , 询问 “IP 地址是 192.168.0.1 的主机的硬件地址是多少 ”, 并将这个请求广播到本地网 段( 以太网帧首部的硬件地址填 FF:FF:FF:FF:FF:FF 表示广播 ); 

目的主机接收到广播的 ARP 请求 , 发现其中的 IP 地址与本机相符 , 则发送一个 ARP 应答数据包给源主机 , 将自 己的硬件地址填写在应答包中;

每台主机都维护一个 ARP 缓存表 , 可以用 arp -a 命令查看。缓存表中的表项有过期时间 ( 一般为 20 分钟 ), 如果20 分钟内没有再次使用某个表项 , 则该表项失效 , 下次还要发 ARP 请求来获得目的主机的硬件地址。

 ARP报头：

 

  

注意到源 MAC 地址、目的 MAC 地址在以太网首部和 ARP 请求中各出现一次 , 对于链路层为以太网的情况是多余的, 但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。

硬件类型指链路层网络类型 ,1 为以太网 ;

协议类型指要转换的地址类型 ,0x0800 为 IP 地址 ;

硬件地址长度对于以太网地址为 6 字节 ;

协议地址长度对于和 IP 地址为 4 字节 ;

op字段为1表示ARP请求,op字段为2表示ARP应答。

源主机通过广播获取目的主机的MAC地址，在网络通信时根据MAC地址传输给特定网络设备在进行上层协议的解包。因为每一个路由器要构建路由器表的时候也要认识周围的路由器，此时也适用arp协议进行记录。所以ARP不经可以在节点到主机之间，还可以是节点到节点之间。（路由器之间）。

ARP欺骗

举例：

• 1.主机A要和主机C通信，主机A发出ARP包询问谁是192.168.1.3?请回复192.168.1.1。
• 2.这时主机B在疯狂的向主机A回复，我是192.168.1.3，我的地址是0A-11-22-33-44-02。
• 3.由于ARP协议不会验证回复者的身份，造成主机A错误的将192.168.1.3的MAC映射为0A-11-22-33-44-02。

其次在发送ARP请求后，如果获取到目的主机的ARP应答，此时还会将目的主的MAC地址缓存在主机中。但若收到很多的ARP应答（存在伪装的ARP应答，用虚假的ip地址和MAC地址构建的ARP应答），（更新ARP缓存）ip地址会去使用虚假的映射ip地址，MAC地址使用我的MAC地址，造成的后果会让网络阻塞，主机网络断开。

网络整体结构

域名

由于ip地址与端口号不方便我们我们日常使用，因此可以使用域名来代替ip地址与端口号：

NAT技术

NAT 技术背景

之前我们讨论了 , IPv4 协议中 , IP 地址数量不充足的问题

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 ;

NAPT

NAT和代理服务器