【计算机网络03】网络层协议IP（详细）

网络层协议IP

网络层的作用

在复杂的网络环境中通过IP确定目标主机的合适路径

IP协议

主机：配有IP地址，但是不进行路由控制。
路由器：配有IP地址，能够进行路由。
节点：主机和路由器的统称。

IP协议的报头格式

4位版本号：指定IP协议的版本,IPv4对应就是4。
4位头部长度：对应IP报头的长度，这里类似于TCP协议中的首部长度，由于报头的长度是变长的，因此我们通过头部长度*4表示整个报头的长度。
16位总长度：IP数据报的整体长度。
8位上层协议：表示上层协议的类型。
8位生存时间：计算机网络是一个巨大的拓扑网络，如果让数据报一直传输，那么很有可能出现环的问题，因此规定了数据报在网络结构中的存在时间，超过这个时间就会直接丢弃。
剩下的参数都会在下面介绍到

网段划分

IP地址分为两个部分：网络号 + 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，主机具有相同的网络号，但是具有不同的主机号。

通过合理的设计，能够保证不同的主机一定网络号和主机号不同时相同。

子网掩码

过去曾经提出过一种划分网络号和主机号的方式，把所有的IP地址分为两类，

类型	开始的规定字段	网络号
A类	0	7位网络号
B类	10	14位网络号
C类	110	21位网络号
D类	1110	28位网络号
E类	11110	27位网络号

我们的国家或者组织包括企业都可以去申请这样的网络号。

但是这样划分存在问题🧐

A类网路号的用不完，B类不够用。显然这样的设计会造成很大的浪费😓
所以引入了子网掩码这一个概念，帮助我们进行更细的划分

子网掩码 ：

子网掩码通常高位全为1，低位全为零，我们正常的IP地址与子网掩码进行按位与的操作后得到的就是网络号。

比如这是我的电脑的一个IP地址，那么显然我电脑的网络号就是192.168.124.0，主机号位1。

其实还是很好理解的对吧😀😀😀

其实子网掩码的作用就是帮助我们进行动态的调节网络号的。

特殊的IP地址

将IP地址中主机地址全部置零就成了网络号，代表这一个局域网。
将IP地址中的主机地址全部置一就成了广播地址，用来给同一个链路相互连接的主机发送信息。（这一点我会在数据链路层详细讲解）。
127.0.0.1用于本机环回（loopback）。

私有IP和公网IP

如果一个组织内部想要组建局域网，IP地址只用于局域网通信，而不是直接连接到Internet上，理论上可以使用任意的IP地址，但是RFC规定了用于组建局域网的私有IP地址

10.*：前八位网络号
172.16.*：前12位是网络号
192.168.*：前16位是网络号

路由器

路由器具有转发路由的功能，因此一个路由器可以配置两个IP地址，一个叫做LAN口IP,表示局域网所属的子网的IP地址，另一叫做WAN口IP,表示路由器所处的上级的IP地址。

路由器能够实现网络中报文中的转发，必然是跨网段的，也就是说他一定处于两个网段的交界处，这样他才能实现跨网段。我们网络拓扑结构式层状的，假设我们理解成多叉树（现实复杂很多），我们下层节点直接通过路由器向上层节点转发。

IP分片和组装

前面我们提到了IP协议的报头的格式，但是有几个字段我们还没有谈到。比如16位标识，13位片偏移，3位标志。

首先我们谈谈IP为什么要分片：
在我们网络层下面还有数据链路层，显然我们一次传递报文的大小是有限制的，肯定不能想要传多大就传多大，所以提到了一个新的概念，MTU（maximum transmit unit）
（英语不好，如果写错了，见谅🥺）

下面就是我的windows操作系统的MTU的大小：

当一个IP数据报大于MTU的时候,网络层就会默认帮助我们进行分片操作。

怎么进行分片操作：

分片其实思想很简单，比如我们吃东西，直接吃不下去，但是把他切成小块小块的就很好吃下去。网络层也是这么干的。

这里就可以解释上面IP报头里面的那几个字段的作用了。

这里很重要

标识字段：就是判断你们哪些是一家的，当几个报文切片后同时到达一个主机，主机怎么确定那些事一家的，就是通过标识字段。

偏移量 ：就是编号，你切了我在对端得把你重新拼在一起，就是通过偏移量进行拼接，但是有些人要问，偏移量13位，但是总共大小可以到16位，怎么办？如果你能问出这个问题，说明你很有水平 ，这里我们默认的偏移量的单位是8，也就是说我们默认偏移量是在这个值的基础上*8才是我们真正的偏移量。有人问如果偏移量不是8的倍数怎么办，如果你能问出这个问题，那说明你超级会思考，1500（MTU大小）- 20（报头大小）= 1480显然是8的倍数，所以所以我们的报文的大小一定是1480，1480的发，最后省一点一起发，这个时候，你想一下，如果以他们的首地址编号，是不是一定是8的倍数。😯😯😯

注意

IP分片是一个好的解决方案，但是我们不希望IP进行分片，因为如果一个报文丢失，我们整个报文都会直接作废，一个报文都是的概率是k,那么分片后丢失的概率就是1 -（1-k）^ n,学过一天进步1%那套理论的都能够理解这里面的概率相差多大，或者用matplotlib或者自己求导画个图都知道相差很多。

基于分片再谈TCP/UDP协议

如果你看过我的TCP/UDP讲解或者自己了解，可以看看这里，没看过就算了。

我们谈过TCP具有滑动窗口的策略，当时我没有讲为什么要分成一块一块的发，为什么不能直接发呢，现在应该理解了，就是为了减少IP分片的问题。

UDP协议本来就是限制了传输的大小，同时为了防止IP切片的问题，我们在传输UDP报文的时候，也尽量不要超过MTU的大小

总结

IP协议作为TCP/IP协议族的核心，扮演着互联网通信基石的角色。它如同一位尽职尽责的邮差，在网络世界中穿梭，将数据包准确无误地送达目的地。