网络层重点协议之IP协议（IPv4）

news2024/11/16 17:47:43

网络层的作用就是来路由的选择，规划传输的路径，其中网络层的重点协议就是IP协议。

4位版本号

版本号的取值只有4和6

4位首部长度

描述了IP报头有多长，报头中有一个选项部分，是变长的，是可有可无的部分，所以IP报头是变长的。其中单位是4个字节。

8位服务类型（TOS）

实际上只有4位有效，而且这4位中只有一位可以是1，其它都是0，这4位就表示了IP协议的四种工作模式（最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本）。在实际开发中就可以根据需要，来切换IP的模式，达到最优的效果。但是在实际开发中很少这样去设定，因为性能瓶颈往往是业务带来的。

16位总长度（字节数）

描述了一个IP数据包的长度（头+载荷）。这个长度减去前面的IP报头的长度，剩下的就是载荷长度，一个完整的TCP/UDP数据报长度。16位总长度，就是最大能支持64KB，如果一个IP数据报携带的数据载荷太长了，超过了64KB，就会在网络层针对数据进行拆分，把一个数据拆成多个IP数据报,再分别发送，接收方，再重新拼装。

16位标识

同一个数据拆成的多个包的标识是一样的。

13位片偏移

标识了多个包的先后顺序。

3位标志

相当于是分包的结束标志。

8位生存时间（TTL）

一个数据报在网络上能够传输的最大时间，但是这个时间的单位不是"秒”而是“次数”。一个数据报构造出来,会有一个初始的 TTL 数值(比如 32 或者 64, 或者128....) 这个报每次经过一个路由器转发,TTL - 1，如果一直减到 0 了，还没有到达目标,此时就认为这个包永远也到不了了，就可以丢弃了。

8位协议

描述了当前载荷部分内容是属于那个协议的(TCP/UDP)。

16位首部校验和

此处只需要针对首部进行校验，载荷部分(TCP/UDP 数据报)自身已经有校验和了。

IP地址（IPv4 & IPv6）

我们日常能看到的IP地址是一串数字，但是实际上IP地址是32位的二进制数，使用“.”把32位二进制数分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。但是32位只能表示42亿9千多万个数字，对于全世界来说，IP地址是完全不够的。非常推荐大家看看这个视频（讲的是IPv6关系到国家安全）https://www.bilibili.com/video/BV1i14y157YV/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_default_collection.content.click&vd_source=b5701c7bfe1c913f3002eee3d6d787d9

为了解决IP地址不够用的问题，NAT技术（网络地址转换）的发展，使用一个IP代表了一批设备。在NAT背景下，就把IP地址分成了两个大类：

内网IP：10.*，172.16.*-172.31.*，192.168.*

外网IP：剩下的是公网IP

NAT 要求,公网 IP 必须是唯一的。私网 IP 可以在不同的局域网中重复出现。如果某个私网里的设备想访问公网的设备,就需要对应的 NAT 设备(路由),把地址进行映射,从而完成网络访问。反之,公网的设备,无法直接访问私网的设备的，不同局域网的私网的设备没法直接相互访问。内网 IP 只要在局域网内部不重复即可，不同局域网中则是允许重复的。内网中的电脑接入运营商路由器,去访问外部服务器都会被路由器替换成路由器自己的IP地址。

NAT 机制能够有效的解决 IP 不够用的问题，但是带来的副作用就是网络环境更加复杂以及其他问题.....

IPv6从根本上解决了 IP 不够用的问题，使用 16 字节表示IP 地址，128 位。42亿*42亿*42亿*42亿约等于天文数字，可以给地球上的每一粒砂子都分配一个 IPv6 地址。