网络层IP - 技术栈

IP协议报头格式

4位版本

作用：标识 IP 协议的版本，用于区分 IPv4 和 IPv6。
取值：IPv4 固定为 0100（二进制），即十进制 4；IPv6 为 0110（十进制 6）。
核心逻辑：路由器 / 主机收到报文后，先读取该字段，确认按对应版本的协议规则解析。

4位首部长度

作用：标识 IP 首部的总长度，单位是 4 字节（32 位）。
取值范围 ：
- 最小值 5（二进制0101）：对应 5×4=20字节（无选项的标准首部）
- 最大值 15（二进制1111）：对应 15×4=60字节（最大可选长度）
核心逻辑 ：因为首部长度不固定（有选项时变长），该字段用于定位数据部分的起始位置（首部长度 + 数据 = 完整 IP 报文）

8位服务类型

作用：用于QoS（服务质量）控制，让报文获得不同的转发优先级、延迟、吞吐量、可靠性。

位	字段	作用
0-2	优先级（Precedence）	定义报文转发优先级（0-7，7 最高，如网络控制报文）
3	延迟（D）	1 = 要求低延迟，0 = 正常
4	吞吐量（T）	1 = 要求高吞吐量，0 = 正常
5	可靠性（R）	1 = 要求高可靠性，0 = 正常
6-7	保留	未使用

现代扩展 ：现在更多被 DSCP（差分服务代码点，6 位）+ ECN（显式拥塞通知，2 位） 替代，用于更精细的流量分类和拥塞控制。

16位总长度

作用：标识 ** 整个 IP 报文（首部 + 数据）** 的总长度，单位是字节。
取值范围 ：0~65535（2¹⁶-1），因此 IPv4 单个报文最大长度为 65535 字节。
核心逻辑 ：
- 数据部分长度 = 总长度 - 首部长度（IHL×4）
- 链路层（如以太网 MTU=1500 字节）会限制最大传输单元，超过则需要分片（后续标识 / 标志 / 片偏移字段用于分片重组）。

16位标识

作用：唯一标识源主机发送的 IP 报文，用于分片后的重组。
核心逻辑 ：
- 当报文被分片时，所有分片的标识值完全相同，接收方通过该字段将不同分片归属于同一个原始报文。
- 源主机每发送一个 IP 报文，标识值递增 1。

3位标志位

作用：控制报文的分片行为，仅 3 位有效，第 1 位保留（必须为 0）。

位	名称	作用
0	保留	必须为 0
1	DF（Don't Fragment）	1 = 禁止分片，0 = 允许分片；若 DF=1 且报文超过 MTU，路由器会丢弃报文并返回 ICMP 错误
2	MF（More Fragment）	1 = 后续还有分片，0 = 最后一个分片（或未分片）

13位片偏移

作用：标识当前分片在原始报文中的位置 ，单位是 8 字节。
核心逻辑 ：
- 未分片的报文，片偏移 = 0。
- 分片时，除最后一个分片外，所有分片的数据长度必须是 8 的倍数（保证偏移量为整数）。
- 接收方通过「标识 + MF + 片偏移」完成分片重组：按片偏移顺序拼接数据，MF=0 时完成重组。
最大偏移 ：(2¹³-1)×8 = 8188×8 = 65504字节，配合总长度 65535 字节，满足最大报文分片需求。

8位生存时间

作用：限制 IP 报文在网络中的最大转发次数，防止报文无限循环（如路由环路）。
取值规则 ：
- 源主机发送时设置初始值（常见为 64、128、255，不同操作系统默认值不同）。
- 每经过一个路由器，TTL 值减 1；当 TTL=0 时，路由器丢弃报文，并向源主机发送 ICMP「超时」错误。
补充：TTL 本质是「跳数限制」，而非时间，只是最初设计为每秒减 1，现在统一为每跳减 1。

8位协议

作用：标识 IP 报文的数据部分承载的上层协议类型，让主机将数据交给对应协议处理。

十进制值	协议	说明
1	ICMP	互联网控制报文协议
6	TCP	传输控制协议
17	UDP	用户数据报协议
89	OSPF	开放最短路径优先（路由协议）

核心逻辑：主机收到 IP 报文后，根据该字段将数据部分交给 TCP/UDP/ICMP 等上层协议处理。

16位首部校验和

作用：校验 IP 首部的完整性，防止首部在传输中出错（仅校验首部，不校验数据）。
计算规则 ：
- 源主机将首部分为 16 位的块，用二进制反码求和，结果取反后填入该字段。
- 路由器 / 主机收到报文后，重新计算首部校验和，若结果不为 0，说明首部出错，直接丢弃报文。
- 因为 TTL 等字段每跳会变化，路由器转发时必须重新计算并更新校验和。

源目的ip

1. 源 IP 地址（Source IP Address，32 位）

作用：标识发送该 IP 报文的源主机的 IPv4 地址（4 字节，如192.168.1.1）。
核心逻辑：用于接收方回复报文，以及网络中的路由溯源、访问控制等。

2. 目的 IP 地址（Destination IP Address，32 位）

作用：标识该 IP 报文的目标主机的 IPv4 地址。
核心逻辑：路由器根据该地址进行路由转发，最终将报文交付给目标主机。

首部核心字段速查表

字段	长度	核心作用	关键取值
版本	4 位	区分 IPv4/IPv6	IPv4=4
首部长度	4 位	定位数据起始位置	5=20 字节（默认）
服务类型	8 位	QoS 优先级控制	DSCP/ECN 现代替代
总长度	16 位	标识报文总大小	最大 65535 字节
标识	16 位	分片重组标识	源主机递增
标志	3 位	分片控制	DF = 禁止分片，MF = 后续分片
片偏移	13 位	分片位置标识	单位 8 字节
TTL	8 位	防路由环路	每跳减 1，0 则丢弃
协议	8 位	上层协议标识	TCP=6，UDP=17，ICMP=1
首部校验和	16 位	首部完整性校验	仅校验首部
源 IP / 目的 IP	32 位 ×2	收发方地址标识	4 字节 IPv4 地址
选项	0-40 字节	扩展功能	可选，4 字节对齐

IPv4和IPv6首部核心差异

特性	IPv4 首部	IPv6 首部
长度	可变（20-60 字节）	固定 40 字节
校验和	有（首部校验和）	无（由链路层 / 上层保障）
分片	路由器可分片	仅源主机分片，路由器不处理
选项	独立字段	扩展首部，更灵活
地址	32 位 IPv4	128 位 IPv6

IP地址的网段划分

IPv4 地址本质

32 位二进制，分成 4 段 8 位，点分十进制：

plaintext

复制代码

11000000 . 10101000 . 00000001 . 00000001
  192    .   168    .    1     .    1

一个 IP 永远由两部分组成：

网络位（Net ID）：标识哪个网段
主机位（Host ID）：标识网段内哪台设备

子网掩码（Subnet Mask） 的作用：规定哪部分是网络位，哪部分是主机位。

子网掩码的规则

子网掩码 必须是连续的 1 + 连续的 0
1 = 网络位
0 = 主机位

例：

复制代码

255.255.255.0
→ 11111111 11111111 11111111 00000000

前 24 位网络位，后 8 位主机位 简写：/24

主机位能划分多少 IP？

公式：总 IP 数 = 2^ 主机位数 可用主机数 = 2^ 主机位数 - 2

减 2 是因为：

网络地址（主机位全 0）→ 网段标识
广播地址（主机位全 1）→ 不能给设备用

例：/24（8 位主机）总 IP = 2⁸ = 256 可用 = 254

把大网段，借主机位当网络位，切成多个小网段。

一句话：向主机位借位 = 划分子网

192.168.1.0/24 划分 4 个子网

步骤 1：原网段

192.168.1.0 /24网络位 24，主机位 8

步骤 2：要分 4 个子网，需要借几位？

2ⁿ ≥ 子网数2²=4 → 借 2 位

步骤 3：新掩码

原 24 + 借 2 = /26 子网掩码：255.255.255.192

二进制：11111111 11111111 11111111 11000000

步骤 4：每个子网大小

主机位剩下 6 位 → 每个子网 64 个 IP

步骤 5：4 个子网完整结果

192.168.1.0/26网络：0广播：63可用：1～62
192.168.1.64/26网络：64广播：127可用：65～126
192.168.1.128/26网络：128广播：191可用：129～190
192.168.1.192/26网络：192广播：255可用：193～254

掩码	前缀	子网大小	可用主机
255.255.255.0	/24	256	254
255.255.255.128	/25	128	126
255.255.255.192	/26	64	62
255.255.255.224	/27	32	30
255.255.255.240	/28	16	14
255.255.255.248	/29	8	6
255.255.255.252	/30	4	2

ip地址的CIDR划分规则

抛弃 A/B/C 类固定划分，允许任意长度的网络位，用 / 前缀（如 /24）表示子网掩码。

CIDR 最核心 3 条铁律

IPv4 总共 32 位
子网掩码 = 连续的 1 + 连续的 0（不能中间穿插）
前缀长度 /n = 前 n 位是网络位，剩下 32−n 位是主机位

CIDR 表示法：IP 地址 / 前缀 例：192.168.10.5/24

CIDR 与老式 A/B/C 类的区别

老式分类（Classful，已淘汰）

A 类：/8 网络 8 位，主机 24 位
B 类：/16 网络 16 位，主机 16 位
C 类：/24 网络 24 位，主机 8 位

死板、浪费 IP 极大。

CIDR（现代）

前缀可以是 0～32 任意数字 /8、/12、/17、/22、/27、/30...... 都行自由划分子网，完全灵活。

CIDR 4 个万能公式

设前缀 = /n

主机位数 = 32 − n
网段总 IP 数 = 2^(32−n)
可用主机 IP = 2^(32−n) − 2（减网络地址 + 广播地址）
块大小（步长）= 256 − 掩码最后一段（快速算网段）

IP地址的数量限制的解决方法

动态分配IP地址

早期 IP 是静态分配：一台设备永久占用一个 IP，不用也占着。大量设备同时在线时，IP 很快不够。

原理

使用 DHCP 协议：

有一台 DHCP 服务器统一管理地址池
设备上线时临时申请 IP
设备下线、超时、关机后 IP 自动回收
给下一台设备重复使用

核心作用

提高 IPv4 地址利用率，让 "一批 IP 供多批设备轮流使用"。

优点

减少闲置 IP 浪费
自动配置，不用手动设置
同一网段可支持远多于 IP 数量的设备（不同时在线）

缺点

只是提高利用率 ，不增加总 IP 数量
只能缓解，不能根本解决

NAT网络地址转换

1. 出现原因

公网 IPv4 太少，不可能给每台设备一个公网 IP。

2. 原理

内部使用 私有 IP（RFC1918）
- 10.0.0.0/8
- 172.16.0.0/12
- 192.168.0.0/16
路由器执行 NAT：网络地址转换
内网多台设备 共享同一个公网 IP
用端口号区分不同内网主机（NAPT 端口多路复用）

3. 核心作用

1 个公网 IP 可以支撑数百、数千台内网设备。 从根本上大幅减少公网 IP 需求。

4. 优点

极大节省公网 IPv4
隐藏内网结构，安全
几乎所有家庭、企业都在用

5. 缺点

破坏端到端透明
外部无法主动访问内网设备
P2P、游戏、视频通话困难
多层 NAT 会导致卡顿

6. 关键结论

NAT 是 IPv4 能活到今天的最大功臣。

IPv6

1. 出现原因

动态分配 + NAT 都只是延缓枯竭 ，不能增加地址总量。必须扩大地址空间。

2. 原理

IPv6 地址长度：128 位
总数量：2¹²⁸ ≈ 3.4×10³⁸ 个
为地球上每一粒沙子、每一个设备都分配公网 IP 都足够

3. 核心作用

从根本上消除 IP 地址数量限制。

4. 优点

地址近乎无限，永远不会不够
不需要 NAT，真正端到端通信
自动配置 SLAAC，即插即用
更快路由、支持移动设备、内置 IPSec
支持物联网、海量设备

5. 缺点

与 IPv4 不兼容
需要改造设备、路由器、服务器、运营商网络
过渡周期长

6. 关键结论

IPv6 是唯一能彻底解决 IP 地址不够的技术。

私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连接到internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918规定，用于组建局域网的私有IP地址

10.*：前8位是网络号，共16777216个地址
172.16.*到172.31.*：前12位是网络号，共1048576个地址
192.168.*，前16位是网络号，共65535个地址

包含在这个范围内的，都成为私有IP，其余的则为公网IP

主机A给主机B发送报文，报文路由的详细全过程！

大前提：

主机A想要和主机B聊天，必须有服务器在中间搭桥，我们使用的软件中默认包含服务器的IP和端口号，主机A连接服务器，主机B连接服务器，服务器把主机A的IP和端口号给主机B，服务器把主机B的IP和端口号给主机A,

注意这里给的IP是，主机A和主机B所处的运营商路由器的子网IP，通过端口号找到具体的家用路由器

同时这里的端口号不同于应用层的端口号

问题一：

图中主机A和主机B通信，以主机A给主机B发送报文为例，这个报文经过哪些路由器，经过了哪些网络，以及报文中的源主机IP和目的主机IP如何变化

先明确拓扑结构与关键设备

1. 核心设备与地址

设备	内网（LAN）子网 IP	WAN 口 IP	公网 IP
主机 A	192.168.1.201/24（左侧家用路由器 LAN 侧）	-	-
左侧家用路由器	192.168.1.1/24	10.1.1.2/24	-
左侧运营商路由器	10.1.1.1/24	122.77.241.4/24	-
核心公网路由器	-	-	122.77.241.3/24（广域网入口）
右侧运营商路由器	10.1.1.1/24	122.77.241.5/24	-
右侧家用路由器	192.168.1.1/24	10.1.1.2/24	-
主机 B	192.168.1.201/24（右侧家用路由器 LAN 侧）	-	-

2. 网络分层

内网 1（主机 A 侧） ：192.168.1.0/24（私有网段，家用路由器 LAN）
运营商内网 1 ：10.1.1.0/24（运营商私网，家用路由器 WAN→运营商路由器 LAN）
广域网（公网） ：122.77.241.0/24（运营商公网，核心路由器→运营商路由器 WAN）
运营商内网 2 ：10.1.1.0/24（右侧运营商私网，对称左侧）
内网 2（主机 B 侧） ：192.168.1.0/24（右侧家用路由器 LAN，私有网段）

主机 A → 主机 B（全程 IP + 端口变化）

1. 主机 A 发送

源 IP：192.168.1.201 源端口：10001 目的 IP：122.77.241.5（B 的公网 IP） 目的端口：50001

2. 左侧家用路由器 NAT（仅改源）

源 IP：10.1.1.2 源端口：20001目的 IP：**122.77.241.5（不变）**目的端口：50001

3. 左侧运营商路由器 NAT（仅改源）

源 IP：122.77.241.4 源端口：50001目的 IP：**122.77.241.5（不变）**目的端口：50001

4. 公网传输（全程不变）

源：122.77.241.4:50001目的：122.77.241.5:50001

5. 右侧运营商路由器（第一次改目的 IP）

查表：目的端口 50001 → 家庭 10.1.1.2 目的 IP 改为：10.1.1.2

6. 右侧家用路由器（第二次改目的 IP）

查表：端口 → 主机 B 192.168.1.201 目的 IP 改为：192.168.1.201

7. 到达主机 B

问题二：

** 报文到达 B 所在运营商路由器后，

运营商怎么知道发给哪一个家用路由器？

如果有 1000 个家用路由器，怎么区分？**

超级关键知识点：

** 每个家用路由器，在运营商那边都有一个唯一的标识：

【运营商分配给它的私网 IP（10.x.x.x）】**

看你图：

左侧家用路由器 WAN 口：10.1.1.2
右侧家用路由器 WAN 口：10.1.1.2（图里画的，但真实中绝对不可能重复！）

真实世界规则：

运营商给每个家庭路由器分配的 10.x.x.x IP 绝对唯一！

家庭 1：10.1.1.2
家庭 2：10.1.1.3
家庭 3：10.1.1.4
......

运营商路由器内部有一张表：

家庭私网 IP (WAN)	对应出口公网 IP + 端口
10.1.1.2	122.77.241.5:50001
10.1.1.3	122.77.241.5:50002
10.1.1.4	122.77.241.5:50003

所以：

** 公网报文来到运营商路由器，

它看【目的公网 IP + 端口】，

立刻查表知道：要转发给哪个 10.x.x.x 的家庭路由器！**

第三个关键问题

** 如果报文目的 IP 只是运营商路由器的公网 IP，

它怎么知道发给哪个家用路由器？**

答案：

** 靠端口！！！

不是靠 IP！是靠【端口号】区分家庭！**

这就是 NAPT（端口多路复用），整个互联网赖以生存的技术。

举例（同一个公网 IP 带 1000 个家庭）

公网 IP：122.77.241.5

端口 50001 → 家庭 A（10.1.1.2）
端口 50002 → 家庭 B（10.1.1.3）
端口 50003 → 家庭 C（10.1.1.4）
......

报文到达运营商路由器：

目的 IP：122.77.241.5（运营商公网 IP） 目的端口：50001

路由器查表：

50001 → 10.1.1.2（某个家庭路由器）

然后：

把目的 IP 从 122.77.241.5 改成 10.1.1.2 转发给对应的家用路由器

第四个关键问题：

到达家用路由器后，怎么知道发给主机 B？

家用路由器也有 NAT 表：

表格

外部端口	内部主机 IP + 端口
10001	192.168.1.201:80

报文到达：目的端口 10001→ 转发给 192.168.1.201

** 主机 A 从服务器获取的，不是主机 B 的私有 IP，

而是 B 的【公网 IP + 端口号】，两者缺一不可。

服务器必须同时把 IP 和端口都发给 A，A 才能正确发送报文。**

问题五：这里的端口号和应用侧的端口号的区别

NAT 里用的端口号 ≠ 应用层端口号（TCP/UDP 端口）！

虽然名字都叫 "端口"，但作用、层级、意义完全不同！

第一层：应用层端口（TCP/UDP 端口）

位置：传输层（TCP/UDP 头部）

作用：区分同一台主机里的不同应用（进程）

80 = HTTP
443 = HTTPS
22 = SSH
游戏端口、QQ 端口、浏览器端口...

作用： 一台主机同时开浏览器、游戏、QQ→ 靠端口号区分不同软件

特点：

端到端（主机到主机）
内网私有 IP 上使用
不会直接暴露到公网

第二层：NAT 端口（NAT 映射端口）

位置：NAT 设备（路由器 / 网关）内部使用

作用：区分同一个公网 IP 后面的不同内网主机 / 连接

这是路由器自己临时分配、自己维护的端口 不是应用层的端口！

路由器的逻辑：

内网主机 1: 192.168.1.201:1000 → 映射为 公网端口 50001
内网主机 2: 192.168.1.202:2000 → 映射为 公网端口 50002

作用：

让公网区分：这个端口对应哪台内网设备

特点：

只在NAT 设备内部有效
公网只认识这个NAT 端口
对应用层完全透明（应用根本不知道）

最核心区别

应用层端口（TCP/UDP）

区分：同一台主机的不同应用

NAT 映射端口（路由器分配）

区分：同一公网 IP 后的不同内网主机 / 连接