1. 什么是 IP 协议？
如果把互联网比作一个巨大的"物流网络"，那么 IP协议（互联网协议） 就是一套"快递打包和写地址的标准"。
它的核心工作只有两件：
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编址：给每一台联网的设备分配一个唯一的地址（IP地址），类似收货地址。
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路由：决定数据包从 A 点送到 B 点要走哪条路。
协议头格式如下：
- 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。(占用空间)
- 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。(快递的加急等级)
- 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。(类似快递单号)
- 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0，其他是1。类似于一个结束标记。(类似快递上的分箱标签)
- 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）。(类似箱子的编号（第1箱/共3箱，第2箱/共3箱）)
- 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。(快递的"转寄次数上限")
- 8位协议：表示上层协议的类型。(包裹里的物品清单)
- 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（不定长，最多40字节）：略。(备注栏)
2. IP协议的两大核心特性
特性一：无连接
概念：在发送数据之前，不需要先跟对方"打个电话"确认连接。直接就把数据包"扔"到网络上去了。
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通俗比喻：就像你寄一封平信。你写好地址扔进邮筒，不需要提前通知收件人。邮局也尽力去送，但不保证一定送到。
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优缺点：这种方式效率很高，但可靠性较低。
特性二：不可靠
概念：IP协议不保证数据包一定能送到目的地。它遵循"尽力而为"（Best Effort）的原则。
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具体表现 ：如果网络拥堵导致路由器缓存满了，或者数据包损坏了，路由器会直接把这个包丢掉。
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谁来负责 ：IP协议本身不会去重传丢掉的包。这个任务会交给上层协议（比如 TCP）。TCP 发现丢了包，会喊一声："喂，刚才那个包没收到，再发一遍！"
3. IP协议的两个版本：IPv4 与 IPv6
IPv4
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地址长度：32位，约 42 亿个地址。
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样子 ：
192.168.1.1（点分十进制）。 -
现状：地址已经分配殆尽。就像一个小村子，原本每家一个门牌号，现在人太多了，门牌号不够用了。
IPv6
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地址长度：128位，号称"可以为地球上的每一粒沙子分配一个地址"。
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样子 ：
2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（冒分十六进制）。 -
优势：不仅地址多，而且处理起来更高效，安全性也更好。
4. IP地址的构成：网络号 + 主机号
一个IP地址就像一张快递单，上面有两行信息：
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网络号：相当于"城市+街道"。路由器只看这一部分，就知道要把包送到哪个小区（子网）。
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主机号：相当于"门牌号"。到了小区门口，再根据门牌号找到具体的住户。
如何区分它们？ 靠子网掩码。
计算公式：IP地址 & 子网掩码 = 网络号
6. 特殊 IP 地址小知识
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127.0.0.1（本地环回）：就是"自己跟自己说话"，用来测试本机的网络协议栈是否正常工作。
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私有地址 ：比如
192.168.x.x、10.x.x.x。这些地址只能在局域网内使用，不能直接在公网上出现（需要借助NAT转换）。 -
0.0.0.0：通常代表"本网络中的所有主机"，常用于表示默认路由。
7. NAT
技术背景
NAT技术当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能；
- NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
- 很多学校，家庭，公司内部采用每个终端设置私有IP，而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
- 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要；在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的；
NAT IP转换过程
- NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
- NAT路由器收到外部的数据时，又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
- 在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表；
- 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系；