【网络】7.网络层：IP 协议详解

[一、IP 协议的作用与构成](#一、IP 协议的作用与构成)

[1. IP 的作用](#1. IP 的作用)

[2. 唯一性标识](#2. 唯一性标识)

[3. IP 报头结构](#3. IP 报头结构)

二、子网划分

[1. 网络的设计思想](#1. 网络的设计思想)

[2. 信息发送过程](#2. 信息发送过程)

[3. 网段划分](#3. 网段划分)

[4. 子网划分方法](#4. 子网划分方法)

[5. 特殊 IP 地址](#5. 特殊 IP 地址)

[三、IP 地址数量限制](#三、IP 地址数量限制)

[1. IPv6](#1. IPv6)

[2. 动态分配](#2. 动态分配)

[3. 私有 IP 和公网 IP](#3. 私有 IP 和公网 IP)

[4. NAT（网络地址转换）](#4. NAT（网络地址转换）)

[5. 运营商的作用](#5. 运营商的作用)

[6. 消息传输过程](#6. 消息传输过程)

[7. 路由细节](#7. 路由细节)

[四、IP 分片与重组](#四、IP 分片与重组)

[1. MTU（最大传输单元）](#1. MTU（最大传输单元）)

[2. IP 报头中的分片相关字段](#2. IP 报头中的分片相关字段)

[3. 分片组装](#3. 分片组装)

一、IP 协议的作用与构成

1. IP 的作用

IP 协议提供一种能力：将数据从 A 主机跨网络传输到 B 主机。

"能力"的理解：

有很大概率能送到，但难免会失手（不可靠）
如果网络需要 100% 送到对方，需要 TCP 参与

分工：

TCP：提供策略（丢包重传、流量控制等）
IP：提供能力（尽力而为地传输数据包）

能力 + 策略 = 可靠的数据传输

2. 唯一性标识

层级	标识	作用
IP 层	IP 地址	标识主机（主机到主机）
TCP/UDP 层	端口号	标识进程（进程到进程）

IP 地址 = 目标网络号 + 目标主机号

同一个网络内，主机编号不同
不同网络，网络编号不同

3. IP 报头结构

IP 报头基本长度为 20 字节，选项部分可变，总长度范围 [20, 60] 字节。

字段	长度	说明
4 位版本号	4 位	IPv4 固定为 4
4 位首部长度	4 位	单位是 4 字节，最大值 15，因此报头最大 60 字节
8 位服务类型	8 位	3 位废弃，1 位置 0，4 位可选（低延迟、高吞吐、高可靠等）
16 位总长度	16 位	整个 IP 数据报的长度（报头 + 数据）
16 位标识	16 位	标识一组分片，同一数据报的分片标识相同
3 位标志位	3 位	1 位保留，1 位禁止分片（DF），1 位更多分片（MF）
13 位片偏移	13 位	分片在原始数据报中的位置（单位 8 字节）
8 位生存时间	8 位	TTL（Time To Live），每经过一个路由器减 1，到 0 丢弃
8 位协议	8 位	上层协议类型（6=TCP，17=UDP）
16 位校验和	16 位	只校验 IP 报头，确保报头正确性
32 位源 IP 地址	32 位	发送方 IP
32 位目标 IP 地址	32 位	接收方 IP
选项	可变	可选字段，用于扩展功能

关键字段详解：

8 位生存时间（TTL）：

网络结构复杂，可能存在环路
每经过一个路由器，TTL 减 1
当 TTL 变为 0 时，路由器丢弃该数据报
防止数据报在网络中无限循环

16 位校验和：

只校验 IP 报头，不校验数据
确保报头在传输过程中没有被损坏
可能因磁场等原因导致比特位翻转

二、子网划分

1. 网络的设计思想

网络是几十年发展的产物，是经历几十年建设的，并且是很早就被设计过的。

理解报文路由，核心是要理解网络是如何被设计的。

2. 信息发送过程

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主机 → 路由器 → 对方路由器 → 对方主机
 内网转发     公网转发      内网转发

为什么这样设计？

发送消息就是找到对方主机的过程，寻找就是一个排除错误的过程。

划分子网的好处：

将查找目标计算机 → 查找目标网络
一次排除一群不是目标的主机
大大提升查找效率

3. 网段划分

在子网中新增一台主机：

它的网络号必须和子网网络号一致
它的主机号不能和子网中其他主机重复

IP 分配：

电脑连接路由器后，路由器通过 DHCP 协议自动分配 IP 地址
路由器有构建子网的功能
路由器自己的主机号往往是 1（如 192.168.1.1）

4. 子网划分方法

传统分类划分法：将 IP 地址分为 A、B、C 等类网络

类别	网络号位数	主机号位数	特点
A 类	8 位	24 位	用于大型网络
B 类	16 位	16 位	用于中型网络
C 类	24 位	8 位	用于小型网络

问题：随着上网设备增多，这种划分方式导致 IP 浪费

A 类网有 24 位主机号，但一个组织很难有这么多机器
大量 IP 地址被浪费

解决方案：子网掩码

子网掩码是一个 32 位的数字：

前面连续为 1（表示网络号部分）
后面连续为 0（表示主机号部分）

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子网掩码 & IP 地址 = 网络号

子网掩码为 1 的位才对网络号有效。

优势：

不区分 A、B、C 类网络
可以将用不到的主机号位转为网络号位
提高 IP 地址利用率

示例：

IP：192.168.1.10
子网掩码：255.255.255.0
网络号：192.168.1.0
主机号：10

5. 特殊 IP 地址

地址	含义
网络号 + 主机号全 0	代表整个局域网（如 192.168.1.0）
网络号 + 主机号全 1	广播地址（如 192.168.1.255）
127.x.x.x	本地环回地址（通常用 127.0.0.1）

三、IP 地址数量限制

IPv4 地址总量约为 43 亿，如果每个设备都有一个公网 IP，显然不够用。

1. IPv6

用 128 位（16 字节）表示一个 IP 地址
数量极其庞大，理论上可以给地球上的每一粒沙子分配一个 IP

2. 动态分配

路由器只给当前联网的设备分配 IP
设备下线后，IP 可以被回收重用

3. 私有 IP 和公网 IP

私有 IP 范围：

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

普通人接触到的就是内网、子网、局域网 IP。

路由器本身有构建子网、给子网主机分配 IP 的能力。

4. NAT（网络地址转换）

路由器的接口：

WAN 口：连接上层网络（公网）
LAN 口：连接子网设备

有的路由器 WAN 口连接到公网 IP，就是公网出入口路由器。

数据发送过程：

内网主机（192.168.1.3）发送数据到公网地址
由于源 IP 是内网地址，在公网中不可路由
每经过一个路由器，路由器将自己的 WAN 口 IP 替换到源 IP 字段
到达公网出入口路由器时，源 IP 已经被替换为公网 IP
公网中用设计好的规则找到目的地
返回时，路由器根据 NAT 表将目标 IP 替换回内网 IP

这个过程就叫 NAT（Network Address Translation）。

优点：

多个内网设备可以共享一个公网 IP
内网 IP 可以重复（不同局域网），不影响通信

5. 运营商的作用

上层路由器由运营商管理
如果费用欠费等，运营商可以选择不向上转发报文
这就是"连不上网"的原因之一

6. 消息传输过程

公网 IP 可以根据地区向对应机构申请获得，IP 的前 8 位（A 类网络）表示一个地区。

一个地区能拥有的 IP 数量，决定了该地区网络的规模。

示例：5.1.10.2 发送到 6.2.15.2

子网掩码 255.0.0.0，从 5 开头转发到 6 开头
6 地区收到，掩码变为 16 位，找到 6.2 开头
6.2 地区服务器收到，通过网络码确定没问题，继续向下转发
直到转发到目的地

7. 路由细节

路由器既对内又对外，内部会存储：

上一层路由器的信息
平级路由器的信息

路由：在复杂的网络结构中找出一条通往终点的路线。

查路由表结果：

查到下一条：转发给指定的下一跳路由器
没查到：走 default 缺省路由，从 eth0 扔出去交给其他路由器

缺省路由就是进行内网转发的地方。

四、IP 分片与重组

1. MTU（最大传输单元）

数据链路层最大传送单元 MTU 固定为 1500 字节
如果 IP 数据报超过 MTU，就要在 IP 层进行分片
分片与上下层无关

问题：

由于 IP 层与上下层解耦，丢一片就等于整个数据报全丢
分片会增加丢包概率

最佳实践：尽量做到不分片

传输层（TCP/UDP）交给 IP 层的数据要控制大小
让一个报文刚好小于 MTU（考虑 IP 报头）

2. IP 报头中的分片相关字段

16 位标识：

表示一组分片
同一数据报的所有分片标识相同

3 位标志位：

第 1 位：保留
第 2 位：DF（Don't Fragment）- 禁止分片，如果报文超过 MTU 就直接丢弃
第 3 位：MF（More Fragments）- 更多分片，最后一片为 0，其它为 1

13 位片偏移：

表示当前分片在原始数据报中的位置
单位是 8 字节（因为 13 位不够表示所有字节偏移）

3. 分片组装

判断分片：

标志位 MF = 1：是分片的一部分（不是最后一片）
标志位 MF = 0 且片偏移 ≠ 0：是分片的最后一片
标志位 MF = 0 且片偏移 = 0：不是分片（完整数据报）

组装过程：

将相同 16 位标识的分片收集到一起
按片偏移升序排序
检查完整性：如果一片的偏移 + 大小 ≠ 下一片的偏移，说明有分片丢失
组装完成后交给上层协议处理