【计算机网络】网络层——IP协议详解

网络层的路由主要负责在复杂的网络环境中，找到从一个主机到另一个主机发送数据时合适的路径。
确定路径的方法：先由路由表查找目标网络，再由ARP协议发现目标主机。
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

这里我们应该理解：网络层协议中的目的IP负责找到目标主机，传输层中的目的端口号负责找到该主机对应程序，从而网络套接字通过IP+端口号的方式可以实现两个网络进程间的通信。

IP协议段格式

在这里插入图片描述

8位服务器类型 TOS：2位优先权字段- 已经弃用，4位TOS字段- 最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本根据需求只能选一个，1位保留字段- 必须置0
3位标志字段：第一位保留，第二位为1表示禁止分片（若报文长度超过MTU- 最大传输单元会被丢弃），第三位表示更多分片（最后一个分片置为0，其他分片置为1）
IP的分包和分用：
通过4位首部长度和16位总长度，可以将IP报头和有效载荷的分离
通过8位协议和目的IP地址知道如何分用

关于IP层的分片：
保证IP层对报文分片后能正确组装：16位标识+3位标志+13位片偏移

UDP协议对是否分片并不在意；但使用TCP协议时最好避免分片，因为在按序组装时如果发现部分分片丢失，则会重新全部再请求一次，这样很浪费时间和资源。因此在传输层TCP建立连接时，通信双方就应该相互通告MSS=MTU-TCP报头-IP报头，避免分片行为发生。

MTU=1500字节=MSS+TCP报头（20~60字节）+IP报头（20 ~60字节）
MTU：最大传输单元（不包含自己的报头长度） - 数据链路层最大传输单元为1500字节，网络层最大传输单元为1480字节
MSS：最大传输数据段（不包含所有报头长度） - 网络层最大有效载荷为1460字节（考虑TCP报头）

思考：3000字节的IP报文至少分为几片？
当然是3片，因为最大传输数据报只能1460字节，2片不够。

网段划分

IP地址分为两部分：网络号和主机号
网络号：保证不同的局域网间具有不同的标识。
主机号：同一局域网内的不同主机间具有不同的标识。

不同的子网，就是把网络号相同的主机放到一起。
如果在子网内新增一台主机，则这台主机的网络号与子网号相同，但不与同一子网内的其他主机重复。

管理子网IP

手动管理IP地址，并保证每个主机的IP不相同是一件很麻烦的事情，所以我们需要使用其他技术。

DHCP技术
使用DHCP技术能够自动为子网新增的主机节点分配IP地址。一般的路由器都带有此功能，所以也称路由器为DHCP服务器。
CIDR方案
我们曾经将所有的IP地址分为 A，B，C，D，E五类，但我们发现大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类却浪费了大量的地址。
针对上述情况，我们提出了新的划分方案 - CIDR。此方案是通过引入一个额外的子网掩码用来区分网络号和子网号，其中将IP地址和32位的子网掩码进行“按位与”运算就可以得到网络号，由此我们便不再需要用A，B类进行划分。

IP地址

主机位全0时，表示网络号代表这个局域网。
主机位全1时，表示广播地址，用于给同一链路中相互连接的所有主机发送数据包。
127.*的IP地址用于本机环回测试，通常使用127.0.0.1
私有IP地址

如果一个组织内部组建局域网的IP地址，它只用于局域网内的通信，而不直接连接到Internet上。理论上可以使用任意IP地址，但在RFC 1918中规定了用于组建的私有IP地址主要有以下三类，其余的称为公网IP（全局IP）
一：10.* 只有前8位是网络号，共有16,777,216个地址
二：192.168.* 前16位是网络号，共有65,536个地址
三：172.16. 到172.31. 前12位为网络号，共有1,048,576个地址

一个路由器可以配置两个IP地址，WAN口IP和LAN口IP。

其中WAN口IP是对外的IP，LAN口IP是对内的IP。所以同一局域网内不同的路由器，它的WAN口IP不同，但是LAN口IP通常都是192.168.1.1。
同一局域网内的主机的IP地址不能重复，但不同局域网内的主机IP可能相同。

NAT 技术
也叫网络地址转换技术，即子网内的主机需要与外网进行通信时，路由器会将主机IP地址替换为自己的WAN口IP，这样逐级替换，最终数据包的IP就变成了公网IP。
IP地址的数量限制
大家都知道ipv4是一个4字节32位的正整数，也就只有大约43亿的地址，而真正能连接的主机数远远少于43亿，这对于现在的社会是完全不够用的。

CIDR划分方案（子网掩码）在一定程度上缓解了IP不够用的问题 - -提高IP地址的利用率从而减少浪费，但并未增加可连接主机的数量。
解决方法：

动态分配 - DHCP：只给接入网络的设备分配IP地址。所以同一个Mac地址的设备（即同一台主机），在不同的时间接入网络时会有不同的IP地址。

NAT技术：网络地址转换，使得不同局域网内可以有相同的IP地址。

ipv6：它与ipv4互不相干，彼此也不兼容。而是一种新的地址定义，ipv6用16字节128位来表示一个IP地址，但目前没有普及。