目录

IP 协议的相关特性

一、IP协议的特性

二、 IP协议数据报格式

三、 IP协议的主要功能

1. 地址管理

动态分配 IP地址

NAT机制

NAT背景下的通信

IPV6

2. 路由控制

3.IP报文的分片与重组

数据链路层相关知识

1、以太网协议（Ethernet）

2.MTU

MTU对IP协议的影响

MTU对UDP协议的影响

MTU对于TCP协议的影响

3. ARP协议

ARP协议的作用

ARP协议的工作流程编辑

总结

数据链路层

网络层

传输层

应用层

IP 协议的相关特性

一、IP协议的特性

IP（Internet Protocol）协议是互联网中使用的网络协议之一，它的特性包括：

无连接性：IP协议是一种无连接协议，每个数据包都是独立发送和处理的。因此，每个数据包都需要包含完整的源和目的地址信息，以便被正确路由到目的地。
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在网络拥塞、链路故障等情况下丢失或重复，需要应用层自行处理数据的可靠性。
分组交换：IP协议使用分组交换技术，将数据分成若干个固定大小的数据包进行传输，每个数据包都有其独立的路由路径和传输时间。
网络层协议：IP协议在OSI模型中属于网络层，主要负责数据包的寻址和路由选择。
IPv4和IPv6：IP协议有两个版本，IPv4和IPv6，其中IPv4是现有网络中广泛使用的版本，而IPv6则是一种新的IP协议版本，主要为了解决IPv4枯竭的地址问题。
头部格式：IP协议的数据包头部包括源地址、目的地址、协议类型、TTL等信息，具体数据包头部格式不同于IPv4和IPv6版本的不同而有所区别。

二、 IP协议数据报格式

4位版本号（version）：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
4位头部长度（header length）：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（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位总长度（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，这时候如果报文长度超过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，其他报文的长度必须是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。

三、 IP协议的主要功能

1 寻址和路由

2 传递服务

3 数据报分片和重组

1. 地址管理

IP地址本质是一个32位的整数 , 通常会把这32位的整数,转换成点分十进制的表示方式

每个部分取值范围 0-255 例如 127.0.0.1

那么32位整数能表示多少不同的地址呢经过计算是42亿9千万

然而在如今肯定是不够用的便有了一下解决方案

动态分配 IP地址

也就是设备上网才分配IP地址,不上网就不分配

并没有增加IP数量,只能一定程度缓解,不能彻底解决问题.

NAT机制

就是把所有的IP地址分为两大类

内网IP: 10.* 172.16.*---172.31.* 192.168.*

外网IP: 剩下的IP

注意:外网IP必须是唯一的，内网IP则可以重复出现

NAT背景下的通信

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

IPV6

IPv6（Internet Protocol version 6）是IP协议的一种新版本，也是互联网中的下一代IP协议。IPv6的主要特点和优势包括以下几点：

1.地址空间更大：IPv6地址长度为128位，比IPv4的32位要大四倍，因此IPv6可以提供更多的地址空间，以支持未来互联网中更多的设备和用户。

2.更好的安全性：IPv6引入了IPSec协议，提供了强大的主机间加密和认证机制，能够有效防止网络攻击和欺骗。

3. 自动化配置：IPv6协议自带地址自动配置机制（如SLAAC），可以大大简化管理员配置网络地址的工作，同时也可以避免地址冲突的问题。

4. QoS和流量控制支持：IPv6支持基于流的服务质量（QoS）和流量控制，以提高网络传输效率和可靠性。

5.更好的移动性支持：IPv6支持移动IP（MIPv6）协议，可以在网络中实现设备的无缝漫游，支持设备在不同网络环境中快速切换，从而提高网络可用性。

6. 应用广泛：IPv6已经被广泛应用于各种网络设备和应用，如智能家居、物联网、移动通讯、云计算等领域。

2. 路由控制

路由控制（Routing）是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络非常复杂，也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。一旦这个路由控制的运行出现异常，分组数据极有可能“迷失”，无法到达目标地址。因此，一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址，全靠路由控制。

发送数据包时所使用的地址是网络层的地址，即IP地址。然而仅仅有IP地址还不足以实现将数据包发送到对端目标地址，在数据发送过程中还需要类似于“指明路由器或主机”的信息，以便真正发往目标地址。保存这种信息的就是路由控制表（Routing Table）。实现IP通信的主机和路由器都必须持有一张这样的表。它们也正是在这个表格的基础上才得以进行数据包发送的。

该路由控制表的形成方式有两种：一种是管理员手动设置，另一种是路由器与其他路由器相互交换信息时自动刷新。前者也叫静态路由控制，而后者叫做动态路由控制。为了让动态路由及时刷新路由表，在网络上互连的路由器之间必须设置好路由协议，保证正常读取路由控制信息。

3.IP报文的分片与重组

下图展示了网络传输过程中进行分片处理的一个例子。由于以太网的默认MTU是1500字节，因此4342字节的IP数据报无法在一个帧当中发送完成。这时，路由器将此IP数据报划分成了3个分片进行发送。而这种分片处理只要路由器认为有必要，会周而复始地进行（分片以8个字节的倍数为单位进行。）经过分片之后的IP数据报在被重组的时候，只能由目标主机进行。路由器虽然做分片但不会进行重组。

这样的处理是由诸多方面的因素造成的。例如，现实当中无法保证IP数据报是否经由同一个路径传送。因此，途中即使等待片刻，数据包也有可能无法到达目的地。此外，拆分之后的每个分片也有可能会在途中丢失（在目标主机上进行分片的重组时，可能有一部分包会延迟到达。因此，一般会从第一个数据报的分片到达的那一刻起等待约30秒再进行处理。）。即使在途中某一处被重新组装，但如果下一站再经过其他路由时还会面临被分片的可能。这会给路由器带来多余的负担，也会降低网络传送效率。出于这些原因，在终结点（目标主机）端重组分片了的IP数据报成为现行的规范

数据链路层相关知识

1、以太网协议（Ethernet）

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波侦听多路访问/冲突检测协议），早期主要是以太网络中数据传输方式，广泛应用于以太网中，主要应用于有限局域网。
无线局域网由于没有实际的物理信道，无法进行正常的冲突检测，于是无线局域网主要采用CSMA/CA的带冲突避免的载波监听多路访问控制技术。

以太网帧格式

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的；
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
帧末尾是CRC校验码

2.MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制

以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位；
最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对数据包进行分片（fragmentation）；
不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

MTU对IP协议的影响

由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。

将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
每个小包IP协议头的 16位标识（id）都是相同的；
每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；
到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数据；

MTU对UDP协议的影响

一旦UDP携带的数据超过1472（1500 - 20（IP首部） - 8（UDP首部）），那么就会在网络层分成多个IP数据报。
这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了

MTU对于TCP协议的影响

TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS（Max Segment Size）；
TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。
最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。
然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）

3. ARP协议

虽然我们在这里介绍ARP协议，但是需要强调，ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议

ARP协议的作用

在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址；

ARP协议的工作流程

源主机发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播）；
目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中；
每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址

总结

数据链路层

数据链路层的作用：两个设备（同一种数据链路节点）之间进行传递数据
以太网是一种技术标准；既包含了数据链路层的内容，也包含了一些物理层的内容。例如：规定了网络拓扑结构，访问控制方式，传输速率等；
以太网帧格式
理解mac地址
理解arp协议
理解MTU

网络层

网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
理解IP地址，理解IP地址和MAC地址的区别。
理解IP协议格式。
了解网段划分方法
理解如何解决IP数目不足的问题，掌握网段划分的两种方案。理解私有IP和公网IP
理解网络层的IP地址路由过程。理解一个数据包如何跨越网段到达最终目的地。
理解IP数据包分包的原因。
了解NAT设备的工作原理。

传输层

传输层的作用：负责数据能够从发送端传输接收端。
理解端口号的概念。
认识UDP协议，了解UDP协议的特点。
认识TCP协议，理解TCP协议的可靠性。理解TCP协议的状态转化。
掌握TCP的连接管理，确认应答，超时重传，滑动窗口，流量控制，拥塞控制，延迟应答，捎带应答特性。
理解TCP面向字节流，理解粘包问题和解决方案。
能够基于UDP实现可靠传输。
理解MTU对UDP/TCP的影响。