引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了传输层的两种主要协议——UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议），它们在网络通信中扮演着至关重要的角色。UDP以其低延迟和简单性而著称，适用于需要快速传输但可能容忍一定数据丢失的应用。而TCP则以其可靠性和有序性著称，适用于需要确保数据完整性和顺序的应用。

现在，让我们将视角转向网络层，进一步探索IP协议——互联网协议。IP协议是网络通信的基石，负责在复杂的网络环境中实现主机之间的数据传输。在本文中，我们将详细讨论IP协议的工作原理、它在现代网络中的重要性以及它与其他网络层协议的相互作用。通过深入了解IP协议，我们将能够更好地理解整个网络通信的架构和运作方式。让我们开始这段探索之旅吧。

一、IP协议基本概念

互联网协议（IP）是网络层的核心协议，负责在全球范围内的计算机网络设备间传输数据。它使用IP地址来唯一标识网络中的每个设备，并通过数据包的形式进行数据传输。IP是一个无状态和不保证可靠性的协议，它允许数据包独立地在网络中传输，不维护传输状态，也不保证数据包的顺序、完整性或到达。IP协议支持路由，通过路由器根据目的IP地址和路由表来转发数据包。此外，IP协议还支持广播、多播和分段重组功能，以适应不同网络环境和传输需求。当前广泛使用的是IPv4版本，而IPv6版本由于其更大的地址空间和增强的安全性正在逐步被采用。IP数据包的头部包含了控制信息，如版本、头部长度、服务类型、总长度等，这些信息对于数据包的正确传输至关重要。

⭕名词解释

• 主机: 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备;
• 路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制;
• 节点: 主机和路由器的统称;

二、IP协议头格式

1. 版本（4位）：标识IP数据包使用的IP协议版本。对于IPv4，这个字段的值为4。

2. 首部长度（4位）：表示IP报头的长度（单位为32位字，即4字节）。由于报头长度可以是32位的倍数，这个值乘以4给出了报头的字节长度。

3. 服务类型（8位）：用于指定数据包的优先级和服务质量要求，如最小延迟、最大吞吐量等。

4. 总长度（16位）：表示整个IP数据包的长度，包括IP报头和数据负载，单位为字节。

5. 标识（16位）：用于唯一标识一个IP数据包，以便在数据包被分割后能够重新组装。

6. 标志（3位）：控制数据包的分割行为。包括：

   • 0位：保留，未使用。
   • 1位：DF（Don’t Fragment），指示数据包不允许被进一步分割。
   • 2位：MF（More Fragments），如果为1，表示还有更多的片段。

7. 分片偏移（13位）：表示当前片段在原始数据包中的位置，单位为8字节。

8. 生存时间（8位）：每经过一个路由器，TTL减1，当TTL为0时，数据包被丢弃，以防止无限循环。

9. 协议（8位）：指定了IP数据包中封装的上层协议类型，如TCP、UDP、ICMP等。

10. 头部校验和（16位）：用于检测IP报头在传输过程中是否出现错误。

11. 源IP地址（32位）：发送数据包的设备的IP地址。

12. 目的IP地址（32位）：接收数据包的设备的IP地址。

13. 选项（可变长度）：可选字段，用于包含额外的指令或信息，如安全参数索引（SPI）、松散源路由等。选项字段的存在会影响IHL字段的值。

14. IP数据（可变长度）：如果选项字段存在，填充字段确保整个IP报头的长度是32位字的整数倍。

三、网段划分

1. 网络号和主机号

🔴IP地址分为两个部分, 网络号和主机号

1. 网络号（Network Part）：

   • 网络号是IP地址中用于标识特定网络的部分。它确保了在相互连接的网络中，每个网络都有一个唯一的标识。网络号的位数取决于子网掩码中网络部分的位数。网络号是IP地址中固定的部分，它决定了数据包应该被发送到哪个网络。

2. 主机号（Host Part）：

   • 主机号是IP地址中用于标识特定网络内设备的那部分。在同一网络段内，所有主机的网络号是相同的，但是每个主机必须有一个唯一的主机号。这样，数据包在到达正确的网络之后，可以根据主机号被正确地交付给目标设备。

⭕过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类, 最初在1981年的RFC 791中定义，其设计初衷基于几个关键原因：首先，它为早期规模较小的互联网提供了一个简单的框架来分配和管理IP地址；其次，考虑到不同网络规模对地址数量的不同需求，分别用A、B、C类地址来满足大型、中型和小型网络的需求；第三，这种分类方法增加了地址分配的可预测性，简化了网络管理员的工作；此外，它还考虑了早期路由器和网络设备在处理IP地址时存在的技术限制；最后，通过为不同规模的网络分配不同长度的网络号，它优化了路由表的大小和网络的路由效率。

🚨🚨然而，这种分配方式存在一些问题：

• 地址浪费：每个网络类别都有一个固定的网络号长度，导致很多地址空间未被使用，尤其是在C类地址中。
• 灵活性不足：随着互联网的快速发展，固定长度的网络号无法满足多样化的网络规模需求。
• 地址耗尽：随着互联网的迅速扩张，有限的IPv4地址空间开始不足以满足需求。

因此，CIDR（无类别域间路由）被引入以解决这些问题。CIDR通过使用可变长度的子网掩码，允许更精确地分配IP地址空间，减少地址浪费，并提供更大的灵活性来适应不同规模的网络需求。CIDR的引入也促进了更有效的路由聚合，减少了全球路由表的大小。

2. 引入子网掩码

（1）基本概念

子网掩码是一个32位的二进制数字，用来将IP地址分为网络地址和主机地址两个部分。网络地址用于标识特定的网络，而主机地址用于标识网络中的特定设备。

子网掩码通常以二进制形式表示，其中网络部分由连续的1组成，主机部分由连续的0组成。例如，子网掩码255.255.255.0在二进制中表示为11111111.11111111.11111111.00000000。

子网掩码也常以点分十进制形式表示，即将每个8位二进制转换为对应的十进制数。例如，11111111（网络部分）转换为255，00000000（主机部分）转换为0。

（2）默认子网掩码

• A类网络的默认子网掩码是255.0.0.0，意味着前8位是网络部分，其余24位是主机部分。
• B类网络的默认子网掩码是255.255.0.0，意味着前16位是网络部分，其余16位是主机部分。
• C类网络的默认子网掩码是255.255.255.0，意味着前24位是网络部分，其余8位是主机部分。

（3）子网掩码的作用

• 路由决策：子网掩码用于确定数据包是否在同一网络内，以便路由器可以做出正确的路由决策。
• 广播控制：子网掩码帮助确定广播域的范围，确保广播消息只在同一网络内传播。

（4）子网掩码与IP地址的结合

使用子网掩码和IP地址进行逻辑AND运算（&运算），可以确定数据包的目的地是否在同一网络内。如果结果与子网的网络地址匹配，则数据包在局域网内转发；如果不匹配，则发送到路由器。

✅下表是划分子网的例子：

属性	子网1	子网2	子网3
IP地址	192.168.1.0	192.168.1.64	192.168.1.128
子网掩码	255.255.255.192	255.255.255.192	255.255.255.192
网络号	192.168.1.0/26	192.168.1.64/26	192.168.1.128/26
子网地址范围	192.168.1.1 - 192.168.1.62	192.168.1.65 - 192.168.1.126	192.168.1.129 - 192.168.1.190
广播地址	192.168.1.63	192.168.1.127	192.168.1.191

🚨说明：

• 网络号：网络号是子网掩码中所有位都设置为1的部分对应的IP地址范围。在这个例子中，由于子网掩码是255.255.255.192，网络号就是从192.168.1.0开始的一系列地址，后面跟一个斜杠和网络前缀长度（/26），表示网络部分是前26位。

• 子网地址范围：每个子网的可用IP地址范围，不包括网络地址（每个子网的第一个地址）和广播地址（每个子网的最后一个地址）。

• 广播地址：每个子网的广播地址，用于发送到该子网内所有主机的广播消息。

（5）网络地址和广播地址

⭕网络地址

网络地址是每个子网的第一个IP地址，用于标识特定的网络或子网。它确保了不同子网之间的区分，是数据包在网络中路由的基础。网络地址通常不分配给任何具体的网络设备，而是作为一个标识存在。例如，在一个子网掩码为255.255.255.0的C类网络中，如果网络地址是192.168.1.0，那么这个地址就标识了192.168.1.0/24这个网络。

⭕广播地址

广播地址是每个子网的最后一个IP地址，用于发送数据包到该子网内的所有主机。当数据包发送到广播地址时，子网内的所有主机都会接收到这个数据包，无论它们的具体IP地址是什么。广播地址用于实现子网内的广播通信，如发送ARP请求、网络配置或特定服务的发现。继续上述C类网络的例子，如果子网掩码是255.255.255.0，网络地址是192.168.1.0，那么这个子网的广播地址将是192.168.1.255。

四、私有IP地址和公网IP地址

1. 私有IP地址

私有IP地址是在局域网（LAN）内部使用的IP地址，它们不会在互联网上路由。这些地址由IANA（互联网号码分配机构）保留，专门用于内部网络使用。

• 地址范围：

类别	私有IP地址范围
A类	10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类	172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类	192.168.0.0 - 192.168.255.255

• 用途：私有IP地址用于家庭、学校、企业等组织的内部网络，它们不需要全局唯一性。

• 特点：

  • 由于私有IP地址在不同网络中可能会重复，因此它们不能直接在互联网上通信。
  • 通常用于局域网内的设备，如计算机、打印机、路由器等。

• 转换：为了访问互联网，私有IP地址需要通过NAT（网络地址转换）技术转换为公网IP地址。

2. 公网IP地址

公网IP地址是在整个互联网上唯一的地址，它们可以用于互联网上的任何设备，使得设备能够直接与其他设备进行通信。

• 分配：公网IP地址由ICANN（互联网公司注册机构）授权的地区性互联网注册机构（RIRs）进行分配和管理。

• 用途：公网IP地址用于互联网上的服务器、网站、移动设备等，它们需要与外界进行通信的设备。

• 特点：

  • 每个公网IP地址都是唯一的，可以在全球范围内进行路由和通信。
  • 由于IPv4地址的有限性，公网IP地址可能需要通过ISP（互联网服务提供商）租赁或购买。

• 服务：公网IP地址使得设备能够提供网络服务，如Web服务器、邮件服务器等。

3. 私有IP地址与公网IP地址的区别

特点/类型	公网IP地址	私有IP地址
唯一性	全球范围内唯一	只在局域网内部唯一
路由	可以在互联网上直接路由	不能在互联网上路由
用途	用于全球通信	用于局域网内部通信
管理	由全球机构管理	由网络管理员自行分配

五、路由

1. 引出路由

当主机A需要向主机B发送数据时，它将依赖路由机制来确保数据能够顺利地一步步到达目的地。这个过程可以类比于问路，其中IP数据包的传输遵循以下步骤：

1. 起点：主机A生成一个IP数据包，准备发送给主机B。

2. 目的IP检查：当IP数据包到达一个路由器时，路由器首先会检查数据包的目的IP地址。

3. 路由决策：路由器根据目的IP地址和自己的路由表来决定如何处理这个数据包。它会判断数据包是否应该：

   • 直接发送到目标主机，如果路由器和目标主机位于同一网络段；
   • 或者转发到下一个路由器，如果目标网络不在本地。

4. 转发过程：如果数据包需要转发，路由器会将其发送到路由表指定的下一跳地址。

5. 重复路由：这个过程在每个经过的路由器上重复进行，每个路由器都使用自己的路由表来决定数据包的下一跳。

6. 最终到达：数据包经过一系列路由器的转发，最终到达目标网络，并由目标网络的路由器或主机B接收。

7. 路由成功：一旦数据包到达主机B，路由过程完成，主机B可以开始处理接收到的数据。

这个过程确保了即使在复杂的网络结构中，数据也能够找到正确的路径，从源头主机A传输到目的地主机B。路由器在这个过程中起着至关重要的作用，它们是数据传输路径上的导航者。

2. 路由的基本概念

路由是决定数据包在网络中传输路径的过程。在计算机网络中，路由发生在网络层，确保数据包能够从发送者到达接收者。

路由器是网络中的一种设备，它连接不同的网络段，并根据数据包的目的IP地址来转发数据包。路由器使用路由表来决定每个数据包的下一跳地址。

3. 路由表

路由表是路由器中存储的一组规则，用于指导数据包的转发。路由表包含目的网络、网关或下一跳地址、子网掩码、接口等信息。

4. 路由循环

路由循环发生在路由表配置错误时，导致数据包在路由器之间无限循环。现代路由协议通常有机制来防止路由循环。

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