网络原理(IP篇)

IPv4（Internet Protocol）数据报首部格式

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版本

版本：占4bit，表示IP协议的版本。通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4

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首部长度

与TCP中的首部长度含义相同，表示IP数据报 首部 的长度。该字段的取值同样以 4字节 为单位

• 最小十进制取值为5(0101)，表示IP数据报首部只有20字节的固定部分
• 最大十进制取值为15(1111)，表示IP数据报首部包含20字节的固定部分和最大40字节的可变部分

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可变部分

1. 可选字段

   主要功能用来：支持排错、测量及安全等措施。但这也增加了每一个路由器处理IP数据报的开销，实际上可选字段很少被使用。

2. 填充
   使得添加功能后的数据报能够被4整除（因为首部长度是以4字节为单位的）

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区分服务

区分服务：占8bit，用来获得更好的服务。但实际上一直未被使用过

每一位代表1个服务，分别是：3位优先权字段（已弃用）；4位TOS字段；1位保留字段（必须置为0）

4位TOS字段分别为：

1. 最小延时
   该数据报在传输过程中，会追求延时时间最小的路线。也就是从发送到接收的一个最小时间

2. 最大吞吐量
   单位时间内，传输的数据(进出)，尽可能的多

3. 最高可靠性
   IP并非像TCP一样提供强可靠性，但内部也有一些机制来减少丢包的概率

4. 最小成本
   成本：指硬件设备上的开销

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总长度

总长度：占16bit，表示IP数据报的总长度（首部+数据载荷）

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标识、标志、片偏移

这三个字段共同用于IP数据报分片

数据分片：

每一种数据链路层协议都规定了帧的数据载荷的最大长度（帧的数据载荷部分长度是有上限的），称为最大传输单元 MTU。
例如：以太网的数据链路层就规定 MTU = 1500 字节
如果某个IP数据报的总长度超过了 MTU，则无法封装成帧，需要将原IP数据报分片为更小的IP数据报，再将各分片后的IP数据报封装成帧。

分成多个IP数据报，每个IP数据报携带一个TCP数据报的部分数据

标识：占16bit，标识分片数据报是否属于同一个数据报。即：哪几个IP数据报的载荷应该组合在一起。

标志：占3bit，每个bit都有不同的含义：

1. DF位：1 表示该数据报不允许分片；0 表示允许分片

2. MF位：1 表示 “后面还有分片”；0 表示“这是最后一个分片”

3. 保留位：必须置0

片偏移：占13bit，指明分片数据报的数据载荷部分偏移了多少。即：描述了分片数据报的先后顺序。片偏移以8个字节为单位

注：上述的 “拆包” 过程都是 系统内核 自动完成的，程序员通过软件无法干预。

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生存时间

生存时间（TTL）：占8bit，现在以 “跳数” 为单位，每经过一个路由器转发该IP数据报，TTL值就 -1，若 不为0 则转发；若 为0 则丢弃该包

这个字段的作用：防止因为路由环路，导致该数据报在路由环路中永久兜圈

注：TTL一般设置为 32/64，32其实就够用了

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协议

协议：占8bit，指明该IP数据报携带的是何种协议数据

假设协议字段 = 6，说明该IP数据报的数据载荷部分是TCP报文段

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首部检验和

首部检验和：占16bit，用于检测IP数据报的首部在传输过程中是否出现差错。比CRC检验码简单，称为 “因特网检验和“。（只校验首部，数据载荷部分并不需要，因为像TCP协议已经自带了校验流程）

注：IP数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算首部检验和

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源IP地址和目的IP地址

源IP地址 和 目的IP地址：各占32bit，标明源主机的IP地址和接收端的IP地址

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NAT 机制（Network Address Translator）网络地址转换

NAT将网络IP地址分为了两大类：私网IP 和 公网IP

私网IP段有3个：

1. 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

2. 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

3. 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

其余的就都是公网IP了

公网上的设备IP都是唯一的，私网IP只需要保证局域网内部IP不重复即可

所以这就导致：

1. 不同局域网内的设备，彼此间无法访问（因为IP地址会重复冲突）

2. 局域网设备访问公网，就需要对局域网设备的 IP 进行地址转换（NAT的核心）

3. 公网设备无法主动访问局域网设备（同样的还是因为IP会冲突）

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NAT将数据的转发由私网转向公网

进行如图所示的替换，本质上就是让一个公网IP能够对应多个设备，从而起到节省IP地址的效果。

注：只有网关路由器才会进行替换，普通路由器也可能是局域网的一部分。

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NAT将数据的转发由公网转向私网

网关路由器内部会维护一个表，在私网主机发送数据包时，这个表就会记录该数据包的各种信息（如替换前的源IP地址、替换后的IP地址、目的IP地址、源端口号、替换后的端口号、目的端口号），当服务器发送数据过来时，网关路由器就会根据这些信息对照，找到对应的主机转发。

路由器会读取IP地址和端口号，所以说路由器是工作在网络层和传输层的设备

注：如果多台主机访问的服务器是同一个服务器，才会替换端口号

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CIDR

127.* ；作为本地环回测试地址

主机号 为 “全 0” 的地址是网络地址（代表整个网络本身，又称为 “网段”）
主机号 为 “全 1” 的地址是广播地址

注：往广播地址上发消息，那么该广播地址对应的局域网中所有的设备都能收到该消息，但所发送的数据必须是UDP的。（本质上是无连接）

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数据帧格式

1. 目的地址和源地址：指MAC地址

   IP地址侧重全局的转发（从起点到终点）

   MAC地址侧重局部的转发（相邻的设备）

2. 类型：表示载荷数据的含义

3. ARP：ARP协议能够通过 IP地址 获取到设备的 MAC地址，在路由器/交换机中构建一个转发表

4. RARP：通过 MAC地址 获取到 IP地址

5. 帧长度限制：以太网数据载荷长度最小46字节，最大1500字节（最大传输单元称为 “MTU”）