【计算机网络】IP 协议深度解析：从基础到实战

文章目录

• [一、IP 协议概述](#一、IP 协议概述)
• [二、IP 基础知识全家桶](#二、IP 基础知识全家桶)
• • [1. IP 地址分类（IPv4）](#1. IP 地址分类（IPv4）)
  • [2. 特殊 IP 地址](#2. 特殊 IP 地址)
  • [3. IP 头部结构（IPv4）](#3. IP 头部结构（IPv4）)
• [三、ping 的工作原理（基于 ICMP）](#三、ping 的工作原理（基于 ICMP）)
• • [1. ICMP 协议](#1. ICMP 协议)
  • [2. ping 流程](#2. ping 流程)
  • [3. 代码模拟（Python）](#3. 代码模拟（Python）)
• [四、断网时，ping 127.0.0.1 是否通？](#四、断网时，ping 127.0.0.1 是否通？)
• • [1. 环回地址特性](#1. 环回地址特性)
  • [2. 实验验证](#2. 实验验证)
  • [3. 应用场景](#3. 应用场景)
• [五、IP 路由与转发](#五、IP 路由与转发)
• • [1. 路由表结构](#1. 路由表结构)
  • [2. 路由操作](#2. 路由操作)
• [六、IP 分片与重组](#六、IP 分片与重组)
• • [1. 分片原因](#1. 分片原因)
  • [2. 分片字段](#2. 分片字段)
  • [3. 重组](#3. 重组)
• [七、IPv6 与 IPv4 对比](#七、IPv6 与 IPv4 对比)
• [八、IP 实战技巧](#八、IP 实战技巧)
• • [1. 故障排查](#1. 故障排查)
  • [2. 地址规划](#2. 地址规划)
• 九、总结

一、IP 协议概述

IP（Internet Protocol）作为网络层核心协议，承担逻辑寻址与数据包路由职责，分为 IPv4 和 IPv6。IPv4 采用32 位地址（192.168.1.1），IPv6 为 128 位（ 如2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334）。

IP协议无连接、不可靠，依赖传输层（如 TCP）保障可靠性，是网络通信的基石。

二、IP 基础知识全家桶

1. IP 地址分类（IPv4）

A 类：0xxx...（首位 0），范围0.0.0.0~127.255.255.255，适用于大型网络（128 个网络，每网 1677 万主机）。

B 类：10xx...（前两位 10），范围128.0.0.0~191.255.255.255，适用于中型网络（16384 个网络，每网 65534 主机）。

C 类：110x...（前三位 110），范围192.0.0.0~223.255.255.255，适用于小型网络（209 万网络，每网 254 主机）。

D 类：1110...（前四位 1110），范围224.0.0.0~239.255.255.255，用于组播（Multicast）。

E 类：1111...（前四位 1111），保留作科研（240.0.0.0~255.255.255.255）。

2. 特殊 IP 地址

环回地址（Loopback）：127.0.0.0/8（如127.0.0.1），用于本机进程通信，断网时仍可 ping 通（见后续分析）。

广播地址：255.255.255.255（受限广播）或网络地址主机位全 1（如192.168.1.255，定向广播）。

私网地址：

A 类：10.0.0.0/8

B 类：172.16.0.0/12

C 类：192.168.0.0/16

私网地址需经 NAT（网络地址转换）访问公网。

3. IP 头部结构（IPv4）

关键字段：

版本：IPv4 为 4，IPv6 为 6。

首部长度：单位 4 字节（如5表示 20 字节首部，无选项）。

TTL（生存时间）：数据包最大跳数（每跳减 1，为 0 时丢弃，防环路）。

协议：上层协议（6=TCP，17=UDP）。

三、ping 的工作原理（基于 ICMP）

1. ICMP 协议

ICMP（Internet Control Message Protocol）辅助 IP，传递控制信息（如差错报告、诊断）。ping通过发送ICMP 回显请求（Echo Request），接收方回复Echo Reply，测量连通性与延迟。

2. ping 流程

1. 客户端发送ICMP Echo Request（含标识符、序列号、时间戳）。
2. 路由器转发，更新TTL（每跳减1）。
3. 目标主机回复Echo Reply（原数据+时间戳）。
4. 客户端计算RTT（往返时间），输出结果。

3. 代码模拟（Python）

import socket
import struct
import time

def ping(host, count=4):
    icmp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)
    icmp_socket.setsockopt(socket.IPPROTO_IP, socket.IP_HDRINCL, 1)
    
    for seq in range(count):
        checksum = 0
        header = struct.pack('!BBHHH', 8, 0, checksum, 0, seq)
        data = struct.pack('!d', time.time())
        checksum = calculate_checksum(header + data)
        header = struct.pack('!BBHHH', 8, 0, checksum, 0, seq)
        packet = header + data
        
        start_time = time.time()
        icmp_socket.sendto(packet, (host, 0))
        
        icmp_socket.settimeout(1)
        try:
            recv_packet, addr = icmp_socket.recvfrom(1024)
            rtt = (time.time() - start_time) * 1000
            print(f"Reply from {addr[0]}: time={rtt:.2f}ms")
        except socket.timeout:
            print("Request timed out")

def calculate_checksum(data):
    if len(data) % 2:
        data += b'\0'
    s = 0
    for i in range(0, len(data), 2):
        s += (data[i] << 8) + data[i+1]
    s = (s >> 16) + (s & 0xffff)
    s += s >> 16
    return ~s & 0xffff

if __name__ == "__main__":
    ping("127.0.0.1")  # 测试环回地址

四、断网时，ping 127.0.0.1 是否通？

1. 环回地址特性

127.0.0.0/8属于本机回环接口（lo），数据包在网卡驱动层处理，不经过物理网卡。即使物理网卡（如eth0）断开，回环接口（lo）仍存在（ifconfig lo可见）。

2. 实验验证

# 关闭物理网卡
ifconfig eth0 down

# ping环回地址
ping 127.0.0.1  # 仍能收到回复（TTL=64，时间正常）

3. 应用场景

本机服务测试：无需网络，验证进程是否监听localhost（如127.0.0.1:8080）。

协议栈调试：检查 IP/ICMP 协议栈是否正常（物理层断开不影响）。

五、IP 路由与转发

1. 路由表结构

2. 路由操作

# 添加静态路由
route add -net 10.0.0.0/24 gw 192.168.1.2 dev eth0

# 查看路由表
route -n

六、IP 分片与重组

1. 分片原因

数据包大小超过链路 MTU（如以太网 MTU=1500 字节）时，需分片传输。

2. 分片字段

标识（Identifier）：分片所属原始包标识。

标志（Flags）：MF（是否还有分片）、DF（禁止分片，用于路径 MTU 发现）。

片偏移（Fragment Offset）：分片在原始包中的位置（单位 8 字节）。

3. 重组

接收方按标识和片偏移重组，缺失分片则丢弃（IP 不保证可靠性，由传输层处理）。

七、IPv6 与 IPv4 对比

八、IP 实战技巧

1. 故障排查

ip addr：查看 IP、子网、MAC。

traceroute：追踪路由路径（使用 ICMP/UDP 分片）。

tcpdump：抓包分析 IP 头部、TTL、分片。

2. 地址规划

CIDR（无类别域间路由）：如192.168.1.0/24（256 地址，24 位前缀）。

VLSM（可变长子网掩码）：按需分配子网（如/24办公，/28服务器）。

九、总结

IP 协议通过寻址、路由、分片等机制，支撑网络层通信。掌握 IP 地址分类、环回地址特性、ping 原理，是网络运维与开发的核心。结合抓包工具（如 Wireshark）实验，可深入理解 IP 在实际场景中的行为，解决连通性问题，为上层协议（如 TCP/UDP）的学习奠定基础。