IP的作用
IP相當于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要作用是實現(xiàn)終端節(jié)點之間的通信。具體來說，數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是在互連同一種數(shù)據(jù)鏈路的節(jié)點之間進行包傳遞，然而，一旦跨越多種數(shù)據(jù)鏈路，就需要借助網(wǎng)絡(luò)層了，網(wǎng)絡(luò)層可以跨越不同的數(shù)據(jù)鏈路。
IP的作用
- 網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)系：數(shù)據(jù)鏈路層提供直連兩個設(shè)備之間的通信功能，與之相比，作為網(wǎng)絡(luò)層的IP則負責在沒有直連的兩個網(wǎng)絡(luò)之間進行通信傳輸。
IP大致又分為三大作用模塊，分別是IP尋址、路由（最終節(jié)點為止的轉(zhuǎn)發(fā)）以及IP分包和組包。
IP地址
MAC地址用來標識同一個鏈路中不同計算機，IP地址則是用來標識網(wǎng)絡(luò)層中主機的通信地址。
- IP地址：一個32位的正整數(shù)（IPV4），由網(wǎng)絡(luò)和主機兩部分標識構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)標識在數(shù)據(jù)鏈路每個段配置不同的值，相同段內(nèi)相連的主機必須有相同的網(wǎng)絡(luò)地址；主機標識在用于標識同一個網(wǎng)段內(nèi)不同的主機。
IP地址
- IP地址的分類：IP地址分為網(wǎng)絡(luò)和主機兩部分組成，那么，從第幾位到第幾位是網(wǎng)絡(luò)標識，又是從第幾位到第幾位是主機標識呢？目前，對于IP地址的劃分，主要有兩種劃分方式；IP分類地址和子網(wǎng)掩碼區(qū)分
- IP 地址分類：IP地址分為四個級別，分別為A、B、C、D類。
- A類地址：首位以“0”開頭的地址，從第一位到第八位是網(wǎng)絡(luò)標識，后24位相當于主機標識，即：0.0.0.0~127.0.0.0是A類地址。一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為16777214（去掉全0和全1保留地址）。
- B類地址：前兩位以“10”開頭的地址，從第一位到第十六位是網(wǎng)絡(luò)標識，后16位相當于主機標識，即：128.0.0.0~191.255.0.0是B類地址。一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為65534（去掉全0和全1保留地址）。
- C類地址：前三位以“110”開頭的地址，從第一位到第二十四位是網(wǎng)絡(luò)標識，后8位相當于主機標識，即：192.0.0.0~239.255.255.0是C類地址。一個網(wǎng)段內(nèi)可容納的主機地址上限為254（去掉全0和全1保留地址）。
- D類地址：前四位以“1110”開頭的地址，從第一位到第三十二位是網(wǎng)絡(luò)標識，即：224.0.0.0~239.255.255.255是D類地址。D類地址沒有主機標識，常被用于多播。
IP地址分類
- 廣播地址：廣播地址用于在同一個鏈路中相互連接的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包。將IP地址中的主機地址部分全部設(shè)置為1，就成了廣播地址。
- 本地廣播：在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的廣播叫做本地廣播。例如：網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.0/24的情況下，廣播地址為：192.168.0.255.這個廣播地址的IP包會被路由器屏蔽，不會到達192.168.0.0/24以外的其他鏈路上。
- 直接廣播：在不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播叫做直接廣播。例如，網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.0/24的主機向192.168.1.255/24的目標地址發(fā)送IP包，收到這個包的路由器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給192.168.1.0/24，從而使得192.168.1.1~192.168.1.254的主機都能收到這個包。由于直接廣播有一定的安全問題，多數(shù)情況下會在路由器上設(shè)置為不轉(zhuǎn)發(fā)。
本地廣播與直接廣播
- 子網(wǎng)掩碼：直接使用A類或者B類地址，非常浪費資源，而通過子網(wǎng)掩碼，能夠?qū)崿F(xiàn)比A、B、C更小粒度的網(wǎng)絡(luò)。這種方式，實際上就是將原來A、B、C勒種的主機地址部分用作子網(wǎng)地址，將原網(wǎng)絡(luò)分為多個物理地址的一種機制。引入子網(wǎng)以后，一個IP地址，就有了兩種識別碼，一是IP地址本身，另一個是表示網(wǎng)絡(luò)部的子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼是一個32位的數(shù)字，它對應(yīng)IP地址網(wǎng)絡(luò)標識部分的位全為1，對應(yīng)的IP地址主機標識的部分則全部為0.由此，一個IP地址不再受限于自己的類別，而是可以用這樣的子網(wǎng)掩碼自由的定位自己的網(wǎng)絡(luò)標識長度。子網(wǎng)掩碼的標識方式有兩種：
- IP地址 172. 20.100. 52
子網(wǎng)掩碼 255.255.255.192
網(wǎng)絡(luò)地址 172. 20.100. 0
子網(wǎng)掩碼 255.255.255.192
廣播地址 172. 20.100. 63
子網(wǎng)掩碼 255.255.255.192 - 另一種方式是后綴法：它在每個IP地址后面追加網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)，用/隔開
IP地址 255.255.255.52/26
網(wǎng)絡(luò)地址 172. 20.100. 0/26
廣播地址 172.20.100.63/26
子網(wǎng)掩碼
- 全局地址和私有地址：起初，互聯(lián)網(wǎng)中任何一臺主機或者路由器都配有一個唯一的IP地址，然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，IP地址不足的問題日趨顯著。于是，出現(xiàn)了一種新的技術(shù)，他不要求為每一臺主機或者路由器分配一個固定的IP地址，而是在必要的時候只為相應(yīng)數(shù)量的設(shè)備分配唯一的IP地址。于是出現(xiàn)了對應(yīng)全局地址的私有網(wǎng)絡(luò)的IP地址。
- 私有地址：私有地址的范圍如下：
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 （10/8） A類
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 （172.16/12） B類
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 （192.168/16） C類 - 全局地址：不在私有地址范圍的IP地址均為全局地址。
私有IP最早沒有計劃連接互聯(lián)網(wǎng)，而只用于互聯(lián)網(wǎng)之外的獨立網(wǎng)絡(luò)，然而，當一種能夠互換私有IP和全局IP的NAT技術(shù)誕生以后，配有私有地址的主機與配有全局地址的互聯(lián)網(wǎng)主機也能實現(xiàn)通信。
路由控制
發(fā)送數(shù)據(jù)包時使用的地址是網(wǎng)絡(luò)層的地址，即IP，然而僅僅有IP地址還不足以實現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到對端目標地址，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中還需要類似于“指明路由器或主機”的信息，以便真正發(fā)往目標主機。保存這種信息的就是路由控制表。
-
IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址部分用于進行路由控制。路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址。在發(fā)送IP包時，首先要確定IP包首部中的目標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，根據(jù)該記錄將IP包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。下圖就是通過路由控制吧將IP發(fā)送到指定目標地址的過程。
路由控制表與IP發(fā)送 路由控制表分為兩種，一種是管理員手動設(shè)置的，稱為靜態(tài)路由控制，另一種是路由器與其他路由器相互交換信息時自動刷新，稱為動態(tài)路由控制。
IP報文的分片與重組
- 為何需要進行分片？因為網(wǎng)絡(luò)層需要對數(shù)據(jù)鏈路層進行抽象，而數(shù)據(jù)鏈路不同，他們的MTU（最大傳輸單元）都不盡相同，IP屬于數(shù)據(jù)鏈路的上一層，它必須不受限于不同數(shù)據(jù)鏈路層的MTU大小。為了讓IP包能在不同的數(shù)據(jù)鏈路中進行傳輸，所以必須要對IP進行分片處理。例如，以太網(wǎng)默認的MTU是1500字節(jié)，因此，4342字節(jié)的IP數(shù)據(jù)報無法再一個幀中發(fā)送完成，這時，路由器或者主機將此IP數(shù)據(jù)報劃分成3個分片進行發(fā)送。
- IP報文分片在網(wǎng)絡(luò)層進行，由路由器進行；經(jīng)過分片之后的IP數(shù)據(jù)報在被重組的時候，只能由目標主機進行，路由器雖然能做分片，但不會進行重組。因為現(xiàn)實中，無法保證IP數(shù)據(jù)報是否經(jīng)過同一個路徑傳送，拆分之后的每個分片都可能會在途中丟失，即使在途中某一處進行重組，如果下一站再經(jīng)過其他路由時還會面臨被分片的可能，這會給路由器帶來多余的負擔，也會降低網(wǎng)絡(luò)傳送效率。所以，在目標主機端進行重組IP分片稱為現(xiàn)行規(guī)范。
IP報文分片與重組
- 路徑MTU發(fā)現(xiàn)
分片機制也有著他的不足，首先，路由器的處理負荷加重，因為路由器在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中負荷越來越重，只要允許，對IP數(shù)據(jù)包的分片處理，盡量由主機進行，而不是路由器進行；其次。在分片處理中，一旦某一個分片丟失，則會造成整個IP數(shù)據(jù)報作廢。為了應(yīng)對這些問題，產(chǎn)生了“路徑MTU發(fā)現(xiàn)”技術(shù)。 - 路徑MTU發(fā)現(xiàn)是指從發(fā)送端主機到接收端主機之間不需要分片時的最大MTU大小，即路徑中存在的所有數(shù)據(jù)鏈路最小的MTU。而路徑MTU發(fā)現(xiàn)從發(fā)送主機按照路徑MTU的大小將數(shù)據(jù)報分片后進行發(fā)送。進行路徑MU發(fā)現(xiàn)后，就可以避免在中途的路由器上進行分片處理。
- 路徑MTU發(fā)現(xiàn)的工作原理：
1，發(fā)送時IP首部的分片標志位設(shè)置為不分片。超過數(shù)據(jù)鏈路的最大MTU時，也不分片，直接丟棄該包；
2，通過一個ICMP的不可達消息將數(shù)據(jù)鏈路上的MTU的值發(fā)送給主機。
3，下一次，從發(fā)送給同一目標主機的IP數(shù)據(jù)報獲得ICMP所通知的MTU值以后，將他設(shè)置成當前MTU，發(fā)送主機根據(jù)這個MTU對數(shù)據(jù)報進行分片處理。如此反復(fù)，直到數(shù)據(jù)報被發(fā)送到目標主機為止沒有再收到任何ICMP，就認為最后一次ICMP所通知的MTU即是一個合適的MTU值。
路徑MTU發(fā)現(xiàn)（UDP）
需要注意的地方是：UDP中沒有重發(fā)處理。應(yīng)用在發(fā)送下一個消息時會被分片。具體來說，就是指UDP層面?zhèn)鬟^來的“UDP首部+UDP數(shù)據(jù)”在IP層被分片，對于IP，它并不區(qū)分UDP首部和應(yīng)用的數(shù)據(jù)。所有分片到達目標主機后進行重組，在傳給UDP層；在TCP中情況則不一樣：由于TCP是可靠性傳輸，具有重發(fā)機制，數(shù)據(jù)報被丟棄后會被重新發(fā)送。TCP負責將數(shù)據(jù)分成IP層不會再分片的粒度以后再傳給IP層。IP層不做分片處理了，接收端主機不需要進行重組，數(shù)據(jù)被原樣發(fā)送給接收端主機的TCP層。
路徑發(fā)現(xiàn)（TCP）
IPv4首部
IPv4首部格式
IPv4首部格式如上圖所示。介紹一些主要字段：
- 版本（version）：4比特構(gòu)成，表示標識IP首部的版本號。IPv4的版本號即為4，IPv6即為6。
- 首部長度：4比特構(gòu)成，表明IP首部的大小，單位是4字節(jié)（32比特）。
- 總長度：16比特，表示首部與數(shù)據(jù)部分結(jié)合起來的總字節(jié)數(shù)，IP包的最大長度為（2的16次方）65535字節(jié)。
- 標識：16比特，由于分片重組，同一個分片的標識值相同，不同分片的標識值不同。
- 標志：3比特，表示被分片的相關(guān)信息
比特 含義
0：未使用，現(xiàn)在必須是0
1：表示是否可以進行分片：0-可以分片，1-不可以分片
2：包被分片的情況下，表示是否為最后一個包。0 -最后一個分片中的包，1-分片中段的包 - 片偏移：13比特，用于標識被分片的每一個分段相對于原始數(shù)據(jù)的位置
- 生存時間：8比特，是指包可以中轉(zhuǎn)多少個路由器的意思，每經(jīng)過一個路由器，TTL會減1，直到變成0則丟棄該包。
- 協(xié)議：8比特，表示IP首部的下一個首部隸屬于哪個協(xié)議。
- 首部校驗和：16比特，該字段只檢驗數(shù)據(jù)報的首部，不校驗數(shù)據(jù)部分，主要用來確保IP數(shù)據(jù)報不被破壞。
- 源地址：32比特的發(fā)送端IP地址；
- 目標地址：32比特的接收端IP地址；
- 可選項：長度可變。通常只在進行試驗或者診斷額時候使用。
- 填充：再有可選項的情況下，首部長度可能不是32比特的整數(shù)倍，為此，通過向該字段填充0，調(diào)整為32比特的整數(shù)倍。
- 數(shù)據(jù)：存入數(shù)據(jù)。將IP上層協(xié)議的首部也作為數(shù)據(jù)進行處理。
