Java EE|TCP/IP协议栈之网络层IP协议详解

文章目录

- 一、IP协议感性认知
- - 简介
  - 特点
- 二、IP协议报头结构
- - 4位版本
  - 4位首部长度
  - 8位服务类型
  - 16位总长度
  - 16位标识
  - 8位生存时间（TTL）
  - 8位协议
  - 16位首部长度
  - 32位源ip&32位目的地址
- 三、网络地址管理
- - 网段划分
  - 路由选择
- 参考

一、IP协议感性认知

简介

P是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。

IP位于TCP/IP模型的网络层(相当于OSI模型的网络层)，它可以向传输层提供各种协议的信息，例如TCP、UDP等；对下可将IP信息包放到链路层，通过以太网、令牌环网络等各种技术来传送。

IP所提供的服务大致可归纳为两类：

IP信息包的传送。
IP信息包的分割与重组。

协议版本：ipv4、ipv6【其中v为version】

特点

适应性强、简洁、可操作性强、可靠性较弱，可能会出现丢包、重复、乱序的情况。

二、IP协议报头结构

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YVyBHiKe-1677291085911)(F:\typora插图\image-20230224213151601.png)]$

4位版本

声明ip协议版本，取值范围为{4,6}。这里边主要介绍ipv4。

4位首部长度

由于ip报头有一个选项的部分，是变长的，所以需要一个专门的变量标志ip报头有多长。

单位为4字节。2^4=16，即表示的范围为0*4~15*4即0~60

8位服务类型

服务类型，即Type Of Service，简称TOS。

实际上只有4位有效，这四位只有一位是1，其他都是0。

4位就表示ip协议的四种形态/四种工作模式。分别是最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

最小延时：表示当前模式选择是包裹最快送达
最大吞吐量：单次送的“快递”最多
最高可靠性：丢的概率最小（但还是比不上TCP）
最小成本：运送时消费最低。

注意：他们四个是互斥的，不可以同时选择！！具体选择哪个需要看业务要求

不过实际开发中因为它有一个默认的值，并且影响不太大，所以很少单独去设定。

16位总长度

它描述了一个ip数据包的长度。

总长度=ip数据头+载荷（一个完整的TCP/UDP数据包长度）

这里16位并不代表着一个ip数据包最大只能表示的范围是64kb？

答：是也不是，因为ip本身支持对包的拆分和组合，一个IP数据包携带载荷太长了，超过了64kb，就会在网络层进行数据进行拆分。把一个数据拆分成多个ip数据报，再分别发送，接收方再重新拼装。

这里拆分的单位也不一定就恰好是64kb.可能会更小。这里取决于数据链路层的情况（相当于取决于路况，拥挤了就少量多次嘛）

16位标识

它标识同一个数据拆成多个包的标识。

3位标志：结束标志（null）

13位片偏移：标识了多个包的先后顺序。

这两个物理量都是辅助拆包的字段。

8位生存时间（TTL）

TTL是Time To Live的缩写，是一个数据在网络上能够传输的最大时间。

它的单位并不是想当然的s/ms，而是次。

对于这个次，我们怎么理解呢？一个数包构造出来，会有一个初始的TTL值。这个数据报每经过网络转发设备一次，TTL的值都会减1。当这个值变成0时，还没到终点，那么计算机就认为它永远也到不了，可以丢了。

8位协议

描述了当前载荷部分内容属于哪个协议的TCP/UDP。

16位首部长度

只校验首部，因为载荷自身协议已经有校验和了~~

32位源ip&32位目的地址

这是ip协议报头中最重要的部分。在这部分，我们需要理清楚下边这几个问题：

点分十进制是什么？它有什么意义？

在计算机中，源ip地址和32位目的ip是实打实的32位2进制数字。而我们通常看到的却不是这样的，我们看到的通常是类似这样61.185.187.142的一串数字。

这其实就是我们所说的点分十进制，这是给我们看的，上边的32位2进制数字是给电脑看的。这是转成了分割开来的4个字节，每部分用0_255即0FFH标识。
IP地址相同了怎么办？

我们总是期待每个设备的ip都不同。但是随着信息技术的发展，ip貌似是不够用的。这怎么说？智能手机、电脑的普及、物联网技术的发展，必然会导致大量的ip被分走。那么ip地址不够用貌似也不是太遥远的事情。

那么我们应该怎么办呢？解决方案很多，例如：
- 动态分配ip地址
  
  不用了回收ip地址。虽然这也是一种可行的办法，但是这样治标不治本，极端情况下，倘若某个时刻，全部的网络设备都想要连接网络，那恐怕也是不行的。
- NAT网络转换
  
  什么是NAT网络转换
  
  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:例如，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。
  
  NAT技术是是路由器的一个重要功能，本质上是使用一个ip代表一批ip。
  
  $[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-grc0i19l-1677291085913)(F:\typora插图\image-20230225085532461.png)]$
  
  NAT机制，可以有效的解决ip不够用的问题。但同时也带来了副作用：网络环境更加复杂了……
- ipv6
  
  它从根本上解决了ip不够用的问题。为什么这么说呢？我们来看数据：ipv6使用16个字节表示Ip地址，那也就是128个比特位，对应的ip地址范围就是0~2^128-1即42亿*42亿*42亿*42亿，显然这是一个极大的数据。
  
  虽然ipv6很好，但是现在我们全面还没有启动。同时ipv4和ipv6网络互不相同，也就是说他们不兼容。
  
  有一些网络设备，可以把ipv6和ipv4之间相互转换，近几年的路由器都是同时支持ipv4和ipv6的。

三、网络地址管理

网段划分

ip地址分为两部分：网络号和主机号。其中网络号标识局域网，主机号标识主机。

例如：192.168.0.10中，前三个字节表示的就是网路号，最后一个字节表示的就是主机号。

下边我们结合一个典型的局域网环境进行进一步说明：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BfkIitm8-1677291085913)(F:\typora插图\image-20230225094339185.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-q5z5ChFO-1677291085914)(F:\typora插图\image-20230225094402808.png)]$

网络号和主机号的划分都是可以动态调整的，并不一定前三个字节一定是网络号，最后一个是主机号。

那么究竟怎么划分呢？有没有什么可以参考的规则呢？

这里涉及到一个概念：子网掩码

子网掩码 (subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。. 子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。. 子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。. 子网掩码是一个32位地址，左边全为1，右边全为0，1的部分描述了用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。子网掩码的设定必须遵循一定的规则。

对于家用设备而言，最常见的子网掩码就是255.255.255.0。

特殊的IP：