IP 协议的相关特性

1.IP协议的特性

无连接性。IP协议是一种无连接协议，这意味着数据包在传输过程中不需要保留连接状态信息。每个数据包都是独立发送和处理的，每个包都可以按不同的路径传输到目的地。

不可靠性。IP协议不提供任何可靠性保证，数据包在传输过程中可能会丢失、重复或乱序。这需要应用层协议自行处理数据的可靠性。
分组交换。IP协议采用分组交换技术，将数据分成较小的数据包进行传输，以适应不同网络速度的环境并降低网络拥塞的风险。

路由选择。IP协议可以根据网络拓扑和路由信息，动态选择最佳的传输路径，具有较高的网络扩展性。

分类服务和差错检测。IP协议支持不同的服务质量，可以对数据包进行分类和处理，还支持差错检测机制，确保数据包传输过程中的完整性和正确性。
地址的唯一性和层次性。每个连接到网络的设备都必须具有唯一的IP地址，以便能够与其他设备区分和通信。地址还具有层次性，有助于在地址总数较多时更高效地定位通信主体。

1.1 报文格式

• 4位版本号(version):指定IP协议的版本,对于IPv4来说,就是4.
• 4位头部⻓度(header length):IP头部的⻓度是多少个32bit,也就是length*4的字节数.4bit表⽰最⼤的数字是15,因此IP头部最⼤⻓度是60字节.
• 8位服务类型(Type Of Service):3位优先权字段(已经弃⽤),4位TOS字段,和1位保留字段(必须置为0).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.这四者相互冲突,只能选择⼀个.对于ssh/telnet这样的应⽤程序,最⼩延时⽐较重要;对于ftp这样的程序,最⼤吞吐量⽐较重要

• 16位总⻓度(total length):IP数据报整体占多少个字节.
• 16位标识(id):唯⼀的标识主机发送的报⽂.如果IP报⽂在数据链路层被分⽚了,那么每⼀个⽚⾥⾯的这个id都是相同的.
• 3位标志字段:第⼀位保留(保留的意思是现在不⽤,但是还没想好说不定以后要⽤到).第⼆位置为1表⽰禁⽌分⽚,这时候如果报⽂⻓度超过MTU,IP模块就会丢弃报⽂.第三位表⽰"更多分⽚",如果分⽚了的话,最后⼀个分⽚置为1,其他是0.类似于⼀个结束标记.

• 13位分⽚偏移(framegament offset):是分⽚相对于原始IP报⽂开始处的偏移.其实就是在表⽰当前分⽚在原报⽂中处在哪个位置.实际偏移的字节数是这个值*8得到的.因此,除了最后⼀个报⽂之外,其他报⽂的⻓度必须是8的整数倍(否则报⽂就不连续了).
• 8位⽣存时间(Time To Live,TTL):数据报到达⽬的地的最⼤报⽂跳数.⼀般是64.每次经过⼀个路由,TTL-=1,⼀直减到0还没到达,那么就丢弃了.这个字段主要是⽤来防⽌出现路由循环
• 8位协议:表⽰上层协议的类型

• 16位头部校验和:使⽤CRC进⾏校验,来鉴别头部是否损坏.
• 32位源地址和32位⽬标地址:表⽰发送端和接收端.
• 选项字段(不定⻓,最多40字节)

1.2 IP协议如何管理地址

IP地址本质是一个32位整数,为了方便,就会把IP表示成点分十进制

IP地址的存在,目的是为了区分网络上的不同的设备,希望每个网络都有唯一的一个IP地址

32位整数表示的数据范围42亿9千万

这个数据看起来很大,但在网络飞速发展的今天,其实并不算很大

1.3 如何解决IP地址不够用

1) 动态分配IP地址

2)NAT机制(网络地址映射)

先把地址分分为两大类,

a.私网IP/局域网

IP地址是以10.* 172.16--172.31.* 192.168.*

b.公网IP/广域网

除了私网IP 剩下的都是公网IP

要求公网上设备,对应的公网IP,都必须唯一

但私网上的设备,使用私网IP,只要保证和私网内部的IP不重复即可,不同的局域网之间的IP允许重复

由于上述设定,就有了一个限制

1.公网设备访问公网设备,没有任何问题,直接访问即可

2.局域网设备访问局域网设备(同一个局域网中),也没有任何问题

3.局域网设备访问局域网设备(不同局域网中),不允许访问

4.局域网设备访问公网设备,就需要对局域网设备的IP进行地址转换

5.公网设备访问局域网设备,不允许主动访问

外网设备 ->外网设备,不需要任何 NAT,直接就能通信
内网设备 -> 其他内网设备, 不允许!!
外网设备 ->内网设备,不允许!!
内网设备 ->外网设备,对应的内网设备的路由器,触发NAT 机制进行 IP 替换,此时就会给这个网络数据报的源IP替换成路由器自己的 ip

3) IPv6 从根本上解决问题的方案

IPv6使用16字节表示ip地址 2^128 是一个天文数字

但ipv6报头结构和ipv4是不兼容的

2.网段划分

IP地址分为两个部分,⽹络号和主机号

• ⽹络号:保证相互连接的两个⽹段具有不同的标识;
• 主机号:同⼀⽹段内,主机之间具有相同的⽹络号,但是必须有不同的主机号

不同的⼦⽹其实就是把⽹络号相同的主机放到⼀起.
如果在⼦⽹中新增⼀台主机,则这台主机的⽹络号和这个⼦⽹的⽹络号⼀致,但是主机号必须不能和⼦⽹中的其他主机重复.

• A类 0.0.0.0到127.255.255.255
• B类 128.0.0.0到191.255.255.255
• C类 192.0.0.0到223.255.255.255
• D类 224.0.0.0到239.255.255.255
• E类 240.0.0.0到247.255.255.255

随着Internet的⻜速发展,这种划分⽅案的局限性很快显现出来,⼤多数组织都申请B类⽹络地址,导致B类地址很快就分配完了,⽽A类却浪费了⼤量地址;