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【网络原理】IP协议

ai 2025/5/8 21:41:25

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一. IP协议的作用

二. IP协议报头

三. 拆包和组包

四. 地址管理

1）动态分配IP地址

2）NAT机制（网络地址映射）

3） IPV6

五. IP转换

1）客户端到服务器

2）服务器到客户端

六. 网段划分

七. 路由选择

一. IP协议的作用

1）地址标识和寻址

使用一套地址体系，为每一个网络设备分配唯一的IP地址，这里的网络设备不仅是路由器，服务器，交换机，电脑，手机都会有独一无二的IP地址

2）路由选择

IP协议应用于网络层，关注具体的传播路径，路由器会根据IP地址和路由表，动态规划出数据包的最佳路径

二. IP协议报头

这里介绍的IP协议报头是IPv4报头

（1）4位版本号

标识IP协议版本，IPv4为4，IPv6为6。

（2）4位首部长度

这里的单位是4字节，不包含选项是20字节，最大为60字节

（3）8位服务类型TOS（type of service）

这里只有4位有效，这4位彼此之间相互冲突，只能有1位为1，其余3位只能为0

这四位分别是：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本（硬件设备开销）

（4）16位总长度

描述一个IP数据包的总长度（报头+载荷）最大为65535字节。

（5）16位标识

唯一标识一个数据包。若数据包被分片，所有分片共享同一标识，用于重组。

（6）3位标志

控制分片行为

Bit 0：保留位（必须为0）。
Bit 1（DF, Don't Fragment）：若为1，禁止路由器分片（若数据包超过MTU则丢弃）。
Bit 2（MF, More Fragments）：若为1，表示后续还有分片；若为0，表示这是最后一个分片。

（7）13位片偏移

描述包的先后顺序，当前分片在原数据包中的位置

（8）8位生存时间（TTL）

这里的生存时间不是s和ms，而是次数，一个IP数据包，每经过一个路由器转发，TTL就会-1

如果这个数值变成了0，则会直接丢弃，这样的目的是防止一个数据包无限转发下去

（9）8位协议

这个表示在传输层使用了那种协议

（10）16位首部校验和

这里的校验只是针对IP首部，对于载荷部分，在传输层会校验

（11）32位源IP地址和32位目的IP地址

表示了发件人和收件人的地址

三. 拆包和组包

1. 拆包

为什么要拆包？

根据IP协议的报头，IP数据包最大的长度为65535字节，传输层如果传输的数据很有可能超过这个大小，那么IP协议这一层就会将这个很大的数据拆分为多个IP数据包，每个IP数据包会携带载荷的一部分
数据链路层每次最大传输数据量也存在限制

像这样的拆包行为，由IP自动完成，在操作系统内核会自己实现 这里的拆包主要是因为数据链路层限制

2. 组包

如何组包？

这里主要依靠标志，标志和片偏移

16位标志用于表示那些IP数据包应该放在一起
3位标志只有两位有效位，分别表示这个数据包是不是拆包得到的，这个数据包是不是最后一个数据包
13位片偏移描述这些包之间的先后顺序

这三个少一个都不行，缺少一个都不能实现组包功能

四. 地址管理

IP协议本质上就是一个32位整数，可以表示的数据范围是0~42亿9千万

IP地址存在的意义就是为了能够区分网络上的不同设备，希望每一个网络设备都有唯一的IP地址

42亿9千万的IP地址，看上去很多，其实不够用，全世界有80亿人，每个手机都分配一个IP地址，更何况一个人可能有多个手机，更何况很多个路由器也需要分配地址

如何解决IP地址不够用的问题？

1）动态分配IP地址

全世界的网络设备，并不是同一时刻都在上网，给正在上网的网络设备分配IP地址

2）NAT机制（网络地址映射）

将IP地址分为了两类：私网IP/公网IP

私网IP：IP地址10.*， 172.16-172.31, 192.168.*
公网IP：除了私网剩下的都是公网

公网的设备和IP地址都是唯一的，不可以重复

私网的设备和IP地址，只需要保证同一个局域网内的IP地址不重复即可，不同局域网之间IP地址可以重复

基于这样的安排，规定了一个限制

公网设备访问公网设备，没有问题，直接访问即可
局域网设备访问局域网设备（同一个局域网），没有问题
局域网设备访问局域网设备（不同局域网），不允许访问
局域网访问公网设备，需要对局域网设备进行IP转换
公网设备不允许主动访问局域网设备

3） IPV6

IPV4可以表示2^32个地址，大约是43亿

IPv6可以表示2^128个地址，大约是43亿*43亿*43亿*43亿（天文数字）

但是IPv6和IPv4由于报头格式不同，所以不兼容，意味着想要使用IPv4，必须更换支持IPv4的设备

五. IP转换

1）客户端到服务器

路由器一般含有一个WAN口，多个LAN口，路由器至少包含2个IP地址（其中一个为WAN口）

WAN口：可能是局域网IP地址，也可能是公网IP地址
LAN口：一个局域网IP地址

数据包经过路由器会进行IP转换，将源IP地址转换为公网IP地址，如果转换为公网IP，那么后续就不需要转换了，服务器收到这个数据包，只会看到这个源IP地址是5.6.7.8，而不是192.168.1.2

这样转换的目的，让一个公网IP地址对应多个设备，从而节省IP地址的数量

2）服务器到客户端

私网访问公网需要进行IP转换，公网将数据如何返回给私网？私网地址怎么获取？

服务器只知道源IP地址为转换的路由器地址，不知道客户端的地址

NAT表：就是一个表格，路由器会记录IP地址转换的过程在NAT表中，记录替换前的IP地址，替换后的IP地址和目的地址等信息

1）一个局域网内，多个设备访问同一个服务器

当服务器返回数据包的时候，路由器会根据目的IP和替换后的IP地址，得到替换前的IP地址
如果是访问不同服务器，同样也可以根据目的IP和替换后的IP地址，得到替换前的IP地址

2）一个局域网内，一个设备的多个进程访问同一个服务器

那么NAT表中会包含端口号这个信息，用于区分同一个设备中的进程

3）一个局域网内，多个设备（但是端口号相同）访问同一个服务器

两个主机上面的端口号，重合的概率不是很大，但是也有可能，这时候就可以使用端口号进行区分，路由器会对端口号进行映射

路由器不是工作在网络层吗？为什么可以改变端口号？

路由器并不是一个单纯的网络层设备，也具有传输层功能，所有可以修改端口号

局域网内的不同设备, 访问的是不同网站，这个时候直接通过服务器 IP 就能区分.
局域网内的同一设备不同进程，如果访问的是同一个服务器, 就可以按照端口号来区分.
局域网内的不同设备相同端口号，访问的是同一个服务器, 就可以在路由器这边自动映射成不同的端口进行区分

使用这样的技术，本质上也是提高IP地址的利用率，没有增加IP地址的个数，只是进行了复用，没有从根本上解决问题，现在的互联网就是通过动态规划和NAT结合的方式增加IP地址的使用

六. 网段划分

将一个IP地址进行了划分，划分为两部分：网络号和主机号

网络号：标识设备所属的网络，一般通过子网掩码确定
主机号：标识网络中的具体设备（同一网络内，主机号必须唯一）

图中，内包含四个局域网，四个不同网络号

在同一个局域网中，所有主机的网络号都是相同的，主机号是不同的
在同一个局域网内，网络号和主机号相同，无法上网
网络号和路由器的网络号不同，无法上网（设备不能通过路由器访问外网，当然也不能访问设备）
两个相邻的局域网，网络号不能相同（路由器的两段）

之前的网段划分

这样的划分其实并不好，比如说A类，可以表示的主机数是2^24个设备，但是现实中不存在一个局域网可以包含这么多的设备，浪费了非常多的IP地址

现在的网段划分

现在的网络划分，都是通过子网掩码的方式进行划分，比较节省IP地址

特殊的IP地址

类型	IPv4/IPv6	地址范围/示例	用途
私有地址	IPv4	`10.0.0.0/8` `172.16.0.0/12` `192.168.0.0/16`	局域网内部使用，不可在公网路由（需NAT转换）。
自动私有IP（APIPA）	IPv4	`169.254.0.0/16`	DHCP失效时自动分配，用于本地临时通信。
环回地址	IPv4	`127.0.0.0/8`（如`127.0.0.1`）	测试本机网络服务，数据不离开设备。
广播地址	IPv4	`255.255.255.255`（受限广播） `子网地址.255`（定向广播）	向本地或特定子网所有设备发送数据。
全零地址	IPv4	`0.0.0.0`	表示“任意地址”或默认路由（如服务器监听所有接口）。
多播地址	IPv4	`224.0.0.0/4`（如`224.0.0.5`）	一对多通信（视频会议、路由协议）。