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目 录

  • 一. IP协议报头格式
  • 二. IP 地址
  • 三. 路由选择

网络层协议的工作：

  1. 地址管理
  2. 路由选择（规划路径）

网络层中，最核心的协议就是 IP 协议

一. IP协议报头格式

协议头格式如下：

  • 4 位版本号：当前 IP 协议的版本号，有 4 和 6 ，此文我们以 IPv4 为主！
  • 4 位首部长度：IP 报头的长度。带有选项字段（可以有，也可以没有，可以有一个，也可以有多个）（0 – 15 的单位是 4 个字节！最长是 60 个字节，最短是 20 个字节）
  • 8位服务类型（TOS）：（Type Of Service）其实有效位为 4 位，另外 4 位是保留位。

有效的 4 位是：4 个服务类型的 bit 位是互斥的，一个报文里面 4 个位只有一个可以是 1 ，剩下的都是 0，用来表示当前的 服务类型。（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。）可以根据需求来切换到不同的形态，虽然提供了这个，但是影响是有限的，实际开发的时候，很少真的手动调整 TOS。

4 个保留位：现在不用，但是先占个位置，后面可能要用，给后续的拓展留下余地。

  • 16 位总长度（字节数）：一个 IP 数据报有多长（报头 + 载荷）。载荷部分就是一个完整的传输层数据报！（比如完整的 TCP 数据报）

16 位意味着，一个 IP 数据报最大就是 64 KB？

例如我们前面学的 UDP，UDP 是被 64 KB限制死了的，UDP 想要传输更大的应用层数据报，需要在代码中手动拆包组包。而当前的 IP 协议，自己内置了拆包组包的功能！如果搭载太长了的 TCP 数据报，此时 IP 就会分包！每个包来携带 TCP 的一部分数据！拆包组包在这里是不需要我们自己动手的，它自己携带有（下面三个就都是的）

  • 16 位标识：同一个包拆出来的若干个小的包，标识是一样的
  • 3 位标识：说是 3 位，其中 1 位是最关键的，标识结束标记~，1 后面还有，0 后面没了（类似于 链表的 null），还有一个标记描述是否分包了！
  • 13 位片偏移：描述了拆出来的每个包的先后顺序


例如网络层构造出上述数据报之后，发现载荷部分太长了，超出最大长度限制了，于是就进行拆包！

片偏移大小不是随便给的，内部有规则进行计算，此处我们不多了解，我们只需要知道小的在前，大的在后即可，即使接收方 “后发先至” 了，也可以通过片偏移把若干个包进行重新排序组合。

如果需要在 UDP 这里，实现拆包组包，可以参考此处 IP 的机制上述三个字段

  • 8位生存时间（TTL）：描述了这个 IP 数据报，还能在网络上存活多久！

网络环境非常复杂，例如 A 给 B 发送一个 IP 数据报，数据报就会沿着网络尝试去找 B 的位置，如果 B 存在，能找到，就直接发过去了，如果 B 不存在，找了半天没找到，就要放弃了。

此处的整数并不是 “秒” 这样的时间单位，而是表示次数！能够被转发的次数~，例如给定一个初始 TTL 为 64（32,64,128），每次数据报经过一个路由器的转发，TTL -= 1，一旦 TTL = 0，则认为这个 IP 就找不到，包就要丢弃

  • 8 位协议：表示了传输层使用了哪个协议
  • 16 位首部校验和：校验和和前面的校验和都是一样的，这个校验和只针对 “首部” ，而不对数据部分校验，数据部分的校验自然是传输层的协议来负责。
  • 32位源 IP 地址和32位目标 IP 地址：表示发送端和接收端。

    类似于一个包裹的传输，上述四个元素必不可少

IP 地址本质上是一个 32 位的整数，因为 32 位的整数不方便看，也不方便记，因此就发明出了另外一种表示方式：点分十进制~。使用三个点把 32 位的整数，分成四个部分（每个部分 8 位，1 个字节）每个部分取值 0 – 255。

二. IP 地址

IP 地址能保证唯一性吗？

能否给每一个主机都分配一个唯一的 IP 地址呢？（最初设计 IP 协议初心是这样的），但是后来由于网络发展迅速，32 位数字表示的 42 亿 9 千万不够用了，那么该如何解决 IP 地址不够用的问题呢？

  1. 动态分配 IP 地址（DHCP）

一个设备上网就分配 IP 地址，不上网就不分配 IP 地址

  1. NAT， IP 地址转换

把 IP 分成两个大类

  1. 内网 IP （局域网使用的 IP）
  2. 外网 IP （广域网中使用的 IP）

允许局域网之间的内网 IP 重复，但是外网 IP 要保持唯一（同一个局域网中的 IP 地址不能一样，但是不同局域网中的 IP 地址允许重复）

NAT 机制，本质就是用一个外网 IP 代表了一大堆（可能是一个小区，也可能是多个小区，几万人的设备）内网的设备

内网 IP 有三类：

  • 10.*
  • 172.16.* – 172.31.*
  • 192.168.*

这三类 IP 都是内网，其他就是外网 IP 了

  1. IPv6 ：解决 IP 不够用问题的终极方案

IPv6相当于是另一个网络层的协议，和IPv4可以视为是完全不同的两个协议，而不是IPv4的升级版~~

lPv6 使用 16 字节(128位)这样的值表示IP地址了（2 ^ 128 = 2 ^ 32 * 2 ^ 32* 2 ^ 32* 2 ^ 32）（相当于 42 亿 *42 亿 *42 亿 *42 亿 *，所以 IP 地址完全够了）

IPv4 是 4 个字节（2 ^ 32）

此处还有一个很大的问题就是 IPv4 和 IPv6 不兼容的问题，现存的支持 IPv4 的网络设备(路由器,网卡，交换机…) 不一定支持IPv6。

IP 地址 是一个四个字节的整数，为了更好的进行组网，对于这个 IP 地址又做出了一些更详细的划分，把一个 IP 分成两段，前一半叫做叫做网络号，后一半叫做主机号。

如何划分呢？以前是把 IP 地址分为五类，A，B，C，D，E类，但是目前这种分法很少见，现在主流的分法是 CIDR。引入了一个 “子网掩码”，通过这个来区分哪个是网络号，哪个部分是主机号，也是一个 32 位的整数，左侧都是 1 ，右侧都是 0。255.255.255.0：标记为 1 的部分，就表示了这部分 IP 是网络号

同一个局域网内部，设备之间的网络号，都是一样的，主机号是不同的；两个相邻的局域网（同一个路由器连接的两个局域网），网络号是不一样的

192.168.0.1 / 192.168.1.1 主机号为 .1 的 IP ，通常用来作为网关（关：入口，出口）（不是绝对的，常见的默认的情况，完全可以手动配置成其他的 IP）

192.168.0.0 / 192.168.1.0 主机号为 .0 的 IP 也就是网络号（表示当前局域网 / 网段）

192.168.0.255 / 192.168.1.255 主机号为 255 的 IP 是广播 IP（如果我们往 192.168.0.255 这个 IP 地址上发送数据，此时整个 192.168.0 这个局域网中所有的设备都会收到这个包）

UDP 实现广播，就可以搭配这个广播 IP

127.0.0.1 / 127.* 环回 IP（表示主机自己），每个主机上都有表示一个虚拟的表示环回 IP 的网卡

三. 路由选择

和地图寻路一样，从 A 到 B 两点之间的路径规划就是路由选择，相比于高德地图或者百度地图，路由规划没有那么大的空间来收集每个地方的位置信息，每个路由器就只能知道位置信息的一部分，它只能只能相邻的一些设备怎么走或者可以知道相邻的设备。路由选择这里的数据转发，就相当于原始的寻路方式：问路！！