网络层协议之 IP 协议

发布于:2024-05-16 ⋅ 阅读:(60) ⋅ 点赞:(0)

IP 协议格式

        4 位版本:此处的取值只有两个,4(IPv4)和 6(IPv6),即指定 IP 协议的版本。

        4 位首部长度:描述了 IP 报头多长,IP 报头是变长的,因为报头中的选项部分是可有可无的,此处的单位也是 4 字节(IP头部的长度是多少个32bit,也就是 length * 4 的字节数。4bit表示最大的数字是15,因此IP头部最大长度是60字节)。

        8 位服务类型:实际上只有 4 位是有效的,这四位中只能出现 1 位是 1,其余的都是 0,因此就表示 IP 协议的四种形态 / 四种工作模式:最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。

        16 位总长度:描述了一个 IP 数据包的长度(头 + 载荷),16 位总长度意味着一个 IP 数据包最大只能支持 64KB,但是 IP 自身会支持对包的拆分和组装。虽然最大是 64KB,但实际情况进行拆分的单位往往比 64KB 小,这取决于数据链路层的情况。

        16 位标识:同一个数据拆成的多个包的标识都是一样的。3 位标志:就是一个代表结束的标志。13 位片偏移:标识了多个包的先后顺序。这几个字段都是辅助拆包 / 组包提供的。

        8 位生存时间:一个数据报在网络上能够传输的最大时间。这个时间的单位是 “次数”。一个数据报构造出来会有一个初始的 TTL 数值(比如 32、64),这个报每经过一个路由器转发,TTL-1,如果一直减到 0,还没有到达目标,那么就会认为这个报永远不会到达了,就会丢弃。

        32 位源 IP 地址、32 位 目的 IP 地址:表示发送端和接收端。虽然此处的 IP 地址是 32 位整数,但是我们平时看到的是形如 192.168.1.1 这样的一串数字,这是使用三个 . 来把 4 个字节 32 位数字给分成四个部分,每个部分分别使用 0-255 来表示,这称为:点分十进制

        但是 32 位数字,只能表示 42亿9千万个数字,而全世界能上网的设备那么多,为了解决 IP 地址不够用的问题想出了以下方法:

1. 动态分配 IP 地址。把不在联网设备的地址分配给需要上网的设备。

2. NAT 网络地址转换,本质是使用一个 IP 代表一批设备。因此在 NAT 背景下,就把 IP 地址分成两大类:

        a)内网 IP(私有 IP),形如:10.* 、172.16.* — 172.32.* 、192.168.*

        b)外网 IP(公网 IP),除了上面的类型,剩下的就是公网 IP。并且公网 IP 必须是唯一的,但是私网 IP 可以在不同的局域网中重复出现。如果某个私网里面的设备想要访问公网的设备,就需要对应的 NAT 设备(路由器)把 IP 地址进行映射,从而完成网络访问;如果公网的设备无法直接访问私网的设备

        此时,只要这个电脑是经过运营商路由器转发给服务器的,那么服务器看到的源 IP 都一样;如果此时是多个电脑同时访问同一个服务器, 服务器的响应就会发回给路由器,然后路由器再根据这些电脑不同的端口号来进行区别,决定发给哪个电脑。

3. IPv6,从根本上解决了 IP 不够用的问题(使用 16 个字节表示 IP 地址)。但是想支持 IPv6 就得更换路由器等设备,这就导致成本的上升,因此就没有广泛的到使用。所以主要还是采用上述两种办法结合。但是在我们国家,IPv6 在 2018 年的时候工信部已经大力推行,现在绝大多数设备都支持 IPv6,只是还没开启而已。

地址管理

IP 地址分为两个部分,网络号和主机号

        网络号:标识网段。标识相互连接的两个网段具有不同的标识。

        主机号:标识主机。统一网段内主机之间具有相同的网络号,但是必须有不同的主机号。

一个 IP 地址,为了区分网络号和主机号的界限,引申出了子网掩码。

此处的 255.255.255.0 就是子网掩码,左侧的都是 1,右侧的都是 0,1 的部分就描述了 IP 有多少位是网络号。网络号不一定是前三个字节,而是可以调整变化的。

特殊的 IP 地址

        将IP地址中的主机地址全部设为0,就成为了网络号,代表这个局域网(192.168.1.0)

        将IP地址中的主机地址全部设为1,就成为了广播地址,用于给同一个链路中相互连接的所有 主机发送数据包(192.168.1.255,使用 UDP 往这个地址上发送数据,整个局域网所有设备都能收到)

        127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1(用于测试程序是否能正常工作)

        主机号为 1,比如 192.168.0.1,一般是 “网关 IP”。网关就是类似于入口。

        本机环回主要用于本机到本机的网络通信(系统内部为了性能,不会走网络的方式传输), 对于开发网络通信的程序(即网络编程)而言,常见的开发方式都是本机到本机的网络通信。

路由选择

        路由选择就是规划路径,核心就是边走边问。因为每个路由表都会保存一些周围设备的信息(路由表),所以每次有一个 IP 数据包经过路由器就会匹配路由表,看看下一步往哪走。如果有匹配的项,直接按照要求走;如果没有匹配的项,就会提供一个默认路径,即大体方向。每经过一个路由器,TTL-1,减到 0 还没到那么就会丢弃这个包。