目录
[1. IP协议概述](#1. IP协议概述)
[1.1. 定义](#1.1. 定义)
[1.2. 功能](#1.2. 功能)
[1.3. IP网络的结构](#1.3. IP网络的结构)
[1.4. IP头格式](#1.4. IP头格式)
[2. IP地址和地址映射](#2. IP地址和地址映射)
[3. IP包转发](#3. IP包转发)
[4. 其他相关协议介绍](#4. 其他相关协议介绍)
1. IP协议概述
1.1. 定义
IP协议：IP协议是网际互连协议；
工作层次：网络层；
封装：IP头部封装；
特点：不关心、不保证、不维护；不可靠的、无连接的；
TCP/IP协议栈(协议堆叠)：ARP、RARP、ICMP、IGMP；
1.2. 功能
1）标识节点和链路-标记：分配全局唯一的网络号；
链路-网段；节点-主机；
2）寻址和转发-确定：路径；
3）适应各种数据链路-传递
MTU(Maximum Transfer Unit,最大传输单元)：最大的IP报文，分片、重组；
三层的地址到二层地址的映射
例子：地图、学校找人
1.3. IP网络的结构
"网段==范围"
路由器直连PC机
浪费资源，路由器每个接口都是不同的网段；
1.4. IP头格式
1、长度
20~60个字节不等；
固定+可变；
字节
位(bit)：是计算机存储的最小单位，"0100-4位"；
位数：计算机能一次处理数据的大小，32位、64位；Windows命令：dxdiag
字节：计量单位，存储容量，1字节等于8位；例如，字母B；
2、Versrion | IHL | Type of Service | Total Length
Versrion：版本号，4或6；("ipconfig")；
IHL：头部长度；
Type of Service(Tos)：优先级，0~63，数字越大，优先级越高；
场景：广域中的QoS用于流量控制、限制，发送先后顺序、传输率、带宽的大小；
Total Length：总长度(IP头+数据)；
3、Identification | Flags | Fragment Offest
Identification：标识符，标识分片来自哪一个数据包；
Flags：标志位；(0是关闭，1是开启)
1：保留；2：标识数据包是否禁止分片；3：标识数据包是否为最后一个分片；
Fragment Offset(片偏移)：标识某个分片在整个数据包所处的位置或顺序；收发顺序的重组
补充：
数据包的分片：一个数据包切分成小数据包，进行分散、重组；传输层，网络层；
MTU：最大传输单元；接口收发数据支持的单个包的最大长度；
场景：以太网默认接口MTU1500B；PPPoE默认接口MTU1492B；
为什么要有MTU？
数据传输双方之间的协同同步
4、Time to Live | Protocol | Header Checksum
Time to Live(生存时间)：标识数据包还能再经过几个路由器就已经到达生命的尽头；备注：每经过一个路由器进行减1处理，避免产生环路。("ping")
Protocol(标识上层协议)：封装与解封装，封装传输层头部，IP头部拆掉后是给谁？
Header Checksum：头部校验和，数据包的差错检测；
5、Source Address | Destination Address
源地址、目的地址；
6、Options | Padding
Options：可选项；
Padding(填充项)：是4字节的倍数，若不是4的倍数，填充0，达到4个字节的倍数；例如1197就不行
2. IP地址和地址映射
1、背景引入
IP地址==门牌号
IP地址 → 全球唯一 → 专门的机构管理(互联网数字分配机构IANA)；
资源紧缺：ip地址43亿 → 2001年耗尽 → 2022年285亿设备 → 2022年人口80亿；
2、IP地址的概述
功能：IP寻址，数据包发送给谁？工作在网络层，逻辑地址；
格式：32位长度，点分十进制(十进制取值范围:0~9)
组成：网络位+主机位；
"网络位长度和数字完全一致的地址属于同一网段"，例如192.168.1.1 和 192.168.1.2
3、IP地址分类
A类：大型全国或国际性企业；例如国际物流公司DHL
B类：大型中型企业，6~65万个主机共享；例如苹果公司
C类：小型组织、家庭用户、学校；例如机房教室；
D类：媒体平台；例如直播平台；
E类：不公开，留给科研机构使用；
目的：是划分不同的网络规模；
二分法思维：网络位越长，主机位越短；
4、特殊的IP地址
① 127.X.X.X
定义：本地环回地址，用于标识本机；
作用：测试本机操作系统中的TCP/IP协议工作是否正常；
场景：127.0.0.1/无网卡
② 主机位全为0的地址
定义：是网络地址，用于标识网段；
例如：
192.168.1.0是网络地址；
172.168.1.0不是网络地址；
③ 主机位全1的地址(二进制的1)
定义：本网段广播地址，标识广播范围；
单播(1对1)、组播(1对多)、多播(1对所有)
④ 全网广播：255.255.255.255
全网广播地址，全部网段的所有人；
⑤ 通配地址：0.0.0.0
通配地址，任意IP地址，条件匹配，可以代表任何一个地址；
例子：斗地主的癞子；
5、公网和私网地址
公网地址：可以在互联网上寻址的地址，全球唯一，需要运营商分配(ISP)，付费；
私网地址：局域网内，本地随意使用，无法在互联网上寻址；
自动私有地址：169.254.X.X；用于网段内部通信，无法出网段；
补充说明：电脑网卡，IP地址模式设置自动获取，无DHCP服务器，自动寻址失败，产生169.254.X.X；
3. IP包转发
1、ARP协议
定义：地址解析协议，把IP地址解析为MAC地址；
问题：IP数据包通过以太网发送时，链路层不能识别IP地址；
网络层(32位IP地址)---链路层(48位MAC地址)
工作机制
① 主机A广播请求发送ARP，询问主机B的IP对应的MAC地址；
② 主机B以单播响应回复A主机本机MAC地址；
③ A主机把B主机的IP地址和MAC地址的映射关系写入ARP缓存表；
场景：arp -a
2、IP数据转发原理
知识1：封装，完成3层封装后，进行第2层封装；
知识2：网关(Geteway)：本网段出口的IP地址；
知识3：路由器：连接不同网段；交换机：数据发送给PC机；
工作机制：
① 检查本机IP和目的IP是否一致；
② 处理：
如果目的IP和本机IP属于同一网段，会直接查询目的IP的Mac地址，进行封装；
如果目的IP和本机IP不属于同一网段，会查询网关IP地址的Mac地址，由路由器将IP包转发给目的主机，进行封装；
补充：
不同网段之间，能直接用ARP请求吗？
不能，广播不能过路由器，路由器会隔离广播域；
如果路由器不隔离广播，电脑能上网，所有机器都能收到，广播风暴。
4. 其他相关协议介绍
1、RARP协议
逆向ARP：逆向地址解析协议；
根据本机的MAC地址，查询本机的IP地址；
场景：早期的网吧 → 无盘工作站
2、ICMP
定义：互联网控制消息协议
ping命令：测试网络连通性；
tracert命令：路由跟踪；"tracert www.baidu.com"
3、代理ARP
定义：允许一个设备代理另一个设备响应 ARP 请求，常用于在不同的子网之间转发数据包
场景：路由器转发数据包、负载均衡、网络安全；