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本章重点
- IP协议的作用是什么？
- IP地址分类有哪些？
- IP数据包为什么分片？怎么分片？
IP是一种 「不可靠」的 「端到端」的数据包 「传输服务」，主要实现两个功能：数据传输 和 数据分片。
一、IP地址
IP协议根据「IP地址」将数据传输到指定的目标主机，就像你寄快递的时候需要提供一个收货地址一样。
IP地址是全世界唯一的 32 位「二进制」数，通常用4位点分十进制来表示。
在 cmd 中执行 ipconfig 命令，查看本机的IP地址：
为了便于寻址以及层次化构造网络，每个IP地址分为「网络号码」和「主机号码」两个部分，同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络号码。
1）IP地址分类
IP地址分为A、B、C、D、E五类。
A类地址第一段是网络号码，剩下三段是主机号码；
B类地址前两段是网络号码，剩下两段是主机号码；
C类地址前三段是网络号码，最后一段是主机号码；
| 类别 | IP范围 | 子网掩码 | 描述 |
|---|---|---|---|
| A类（1~126） | 1.0.0.1 ~ 127.255.255.254 | 255.0.0.0 | 共有126个网络，每个网络有1600万台主机，适合大规模的网络。 |
| B类（128~191） | 128.0.0.1 ~ 191.255.255.254 | 255.255.0.0 | 共有16384个网络，每个网络有6万台主机，适合中等规模的网络。 |
| C类（192~223） | 192.0.0.1 ~ 233.255.255.254 | 255.255.255.0 | 共有209万个网络，每个网络有254台主机，适合小型网络。 |
| D类（224~239） | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 | 组播地址 | |
| E类（240~255） | 240.0.0.0 ~ 255.255.255.254 | 保留地址 |
2）私有IP地址
A、B、C类地址中，分为公有IP和私有IP。
公有IP就是「可以注册」购买的IP；
私有IP就是「无法注册」的，用于内部使用的私有地址，私有地址如下：
A类 10.0.0.0–10.255.255.255，1个
B类 172.16.0.0–172.31.255.255，16个
C类 192.168.0.0–192.168.255.255，255个
A、B、C类地址范围中，私有IP外的地址都是公有地址（特殊地址除外）。
3）特殊IP地址
部分地址拥有特殊的含义，比如下面这些：
| 类型 | 地址格式 | 描述 |
|---|---|---|
| 全0地址 | 0.0.0.0 | 路由表的默认路由，表示整个网络，即网络内的所有主机，而非某一个主机，不可用。 |
| 网络号全0 | 0.x.x.x | 本网内某个特定主机 |
| 主机号全0 | x.0.0.0 | 网络地址，表示整个网络 |
| 全1地址 | 255.255.255.255 | 子网的广播地址，路由器不转发 |
| 主机号全1 | x.255.255.255 | 广播地址，对当前网络所有主机进行广播 |
| 环回地址 | 127.0.0.1 ~ 127.255.255.254 | 代表本机IP，可用于测试网络连通性 |
IP地址是数据传输功能的基础，有了IP地址，我们就能知道数据要发送到什么地方。
二、数据分片
IP协议负责将网络层的IP数据报（IP分组）传输到链路层，由链路层将数据封装成帧。
帧最多只能封装 1500 字节（默认）的数据，当超过上限时，就需要分割数据，放到多个数据帧中传输，到达目标主机后，再将数据重组起来。
分割和重组的操作在路由器中完成，发送方发送的信息经过路由器时，路由器会将数据「分割」，放到不同的数据帧中，并在帧首部的字段（MF）标明数据的顺序；
当数据传输到目的路由器后，再根据帧首部的字段将信息「重组」，发送给目标主机。
三、IP数据报
IP协议从网络层传输到数据链路层的数据叫做IP数据报；
IP数据报分为首部和数据两个部分：
首部分由固定部分（20字节）和可变部分组成，首部格式如下：
1）版本（4位）：IP协议版本，目标主机按照此版本解释数据，如果目标主机使用的是其他版本，则丢弃数据报。
2）首部长度（4位）：数据报协议头长度，最小值为5，最大值为15。
3）服务（8位）：用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性；前3位是优先级，后面4位成为服务类型，最后1位没有定义。
4）总长度（16位）：IP数据报的字节长度（协议头部和数据），其最大值为65535字节。
5）标识（16位）：一个整数，数据报分段时，用于识别当前数据报。
6）标记（3位）：由3位字段构成，最低位（MF）控制分段，存在下一个分段置为1，否则置0代表该分段是最后一个分段；中间位（DF）指出数据报是否可进行分段，如果为1则机器不能将该数据报进行分段；第三位即最高位保留不使用，值为0。
7）分段偏移（13位）：指出数据在源数据报中的相对位置，用于重组源数据。
8）生存时间（8位）：一种计数器，在丢弃数据报的每个点值依次减1直至减少为0。这样确保数据报拥有有限的环路过程（即TTL），限制了数据报的寿命。
9）协议（8位）：指明上层接收数据报的协议。
10）头部校验和（16位）：该字段帮助确保IP协议头的完整性。由于某些协议头字段的改变，这就需要对每个点重新计算和检验。计算过程是先将校验和字段置为0，然后将整个头部每16位划分为一部分，将个部分相加，再将计算结果取反码，插入到校验和字段中。
11）源地址（32位）：源主机IP地址，该字段在IPv4数据报从源主机到目的主机传输期间必须保持不变。
12）目的地址（32位）：目标主机IP地址，该字段在IPv4数据报从源主机到目的主机传输期间同样必须保持不变。