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一、什么是IP协议？
二、IP协议头格式
三、地址管理
四、私有IP地址和公网IP地址
五、路由选择
六、NAT技术

一、什么是IP协议？

摘自百度百科：
IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。
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主机: 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备。
路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制。
节点: 主机和路由器的统称。

二、IP协议头格式

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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
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
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
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1, 其他是0，类似于一个结束标记
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)
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减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
8位协议: 表示上层协议的类型
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的地址
选项字段: 不定长, 最多40字节

三、地址管理

这里讲解ipv4版本的ip地址，其类型是uint32_t类型的整数，范围是0.0.0.0~255.255.255.255
网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识
主机号: 同一网段内, 主机之间具有相同的网络号, 但是必须有不同的主机号
可通俗理解为：IP=网络号+主机号

3.1 早期地址管理

早期曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类：
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A类:0.0.0.0~127.255.255.255
B类:128.0.0.0~191.255.255.255
C类:192.0.0.0~223.255.255.255
D类:224.0.0.0~239.255.255.255
E类:240.0.0.0~247.255.255.255

3.2 现在地址管理

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址。针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；
子网掩码是一个uint32_t的整数，其赋值方式是从最高比特位开始依次向下赋值1；例如：255.255.255.0
子网掩码取反=当前子网的最大主机号；
IP地址和子网掩码按位与=当前网络的网段号。

3.3 特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络号, 代表这个局域网;
将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包;
127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1

四、私有IP地址和公网IP地址

10.0.0.0~10.255.255.255
172.16.0.0~172.31.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
以上都是私网IP

注意：私网IP不能够直接访问互联网（公网），因为私网IP不具备互联网效力。

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一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP)
路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中
不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复.，但是子网之间的IP地址就可以重复了
每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点.，这样的运营商路由器可能会有很多级,最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了
子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)

五、路由选择

路由就是在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线。
IP数据包的传输过程中：当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;依次反复, 一直到达目标IP地址。

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表

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路由表可以使用route命令查看；如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可。路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发。

六、NAT技术

NAT是地址转换协议，是当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能。具体应用如下：

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

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请求：将五元组当中的源IP地址（私网IP地址）转换成公网IP；应答：将五元组当中目的IP地址（公网IP地址）转换成私网IP。

6.1 静态NAT

NAT服务器私网的主机，NAT服务器长期保存一个映射关系，是1对1的关系。应用场景：隐藏自己真实的IP地址。

6.2 动态NAT

NAT服务器当中保存了多个公网IP，当私网主机数据到来时候（需要进行地址转换的时候），NAT从公网IP池当中拿一个空闲的公网IP进行地址转换。

6.3 NAPT

如果局域网内, 有多个主机都访问同一个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?
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这时候NAPT来解决这个问题，使用IP+port（端口）来建立这个关联。