【计算机网络之IP篇】网络层协议—IP协议

柔光的暖阳◎ 2023-09-27 17:30 277阅读 0赞

**目录**

一、基本概念

二、IP协议格式

三、IP地址

概念

组成

分类

四、子网掩码

格式

计算方式

五、IP地址不够用问题解决方案

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## 一、基本概念 ##

IP协议全称为“网际互连协议（Internet Protocol）”，IP协议是TCP/IP体系中的网络层协议。

> 1、网络层解决的问题是将数据从一台主机送到另一台主机，因此**网络层解决的是主机到主机的问题**。
> 
> 2、一方传输层从上方进程拿到数据后，该数据贯穿网络协议栈进行封装和解包，最终到达对方传输层，此时对方传输层也会将数据向上交给对应的进程，因此**传输层解决的是进程到进程的问题**。

数据进行的网络传输一般都是跨网络的，而路由器就是连接多个网络的硬件设备，因此数据在进行跨网络传输时一定需要经过多个路由器。

确定数据路由的目的地后，数据就可以在网络中进行路由了，但数据在路由时无法自行进行路径选择，因为这个数据本身是“不认识路”的，因此数据在路由的过程中需要不断“找路人问路”，而这里所谓的“路人”就是网络当中的一台台**路由器**。

网络当中的路由器是“认识路的”，它们将自己的“认路经验”都记录到路由表当中，因此路由器可以通过**查路由表**找到去特定点的最短路径。因此数据在路由时，会不断通过**路由器来进行路径选择**，以此来一步步靠近目标网络或目标主机。

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## 二、IP协议格式 ##

以下是IP协议的头格式：

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*  4位版本号（version）：指定IP协议的版本（IPV4或IPV6），对于IPv4来说，就是4。
 *  4位首部长度：用于指明首部的长度
 *  8位服务类型：3位优先权字段已经弃用，4位TOS字段，和1位保留字段。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 -= 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是使用TCP或者UDP。
 *  32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。

## 三、IP地址 ##

### 概念 ###

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

IP地址是 IP 协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址是一个 32 位的二进制数，通常被分割为 4 个 “8 位二进制数 ” （也就是 4 个字节），如：

01100100.00000100.00000101.00000110 。 通常用“ 点分十进制 ” 的方式来表示，即  a.b.c.d  的形式（ a,b,c,d 都是 0~255 之间的十进制整数）。如：192.168.1.10

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### **组成** ###

IP 地址分为两个部分，**网络号**和**主机号**

*  **网络号**：**标识网段**，保证相互连接的两个网段具有不同的标识； 
 *  **主机号**：**标识主机**，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；

以IP地址： **192.168.1.10**为例

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> 通过合理设置网络号和主机号，可以保证在相互连接的网络中，每台主机的 IP 地址都是唯一

### 分类 ###

所有的IP地址可以分为两大类：**内网IP**和**外网IP**

*  内网IP：**10.\*** 、**172.16.\*\-172.31.\***和**192.168.\***
 *  外网IP:**其他的IP地址**

> 说明：
> 
> 1.  外网IP必须是唯一的
> 2.  同一局域网里面的内网IP一定是不一样的
> 3.  不同局域网的内网IP可以是一样的

## 四、子网掩码 ##

### 格式 ###

子网掩码格式和IP 地址一样，也是一个 32 位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字 “1” 表示， 1 的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0” 表示， 0 的数目等于主机位的长度。

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此外，打开Windows当中的cmd窗口，通过`ipconfig`命令可以看到大量以192.168开头的内网IP和子网掩码。

![5199929f6b9e48b5ab9ca2d3015c87ea.png][]

### 计算方式 ###

网络号:子网掩码与IP地址进行“&（与）运算”

主机号：子网掩码先进行**按位取反**，再与IP地址进行“&（与）运算”

![7f13eb30b3db46e78d04e98d0efd4596.png][]

## 五、IP地址不够用问题解决方案 ##

IPV4地址由于是32位即2^32=42亿9千万，计算机网络发展到现在，现有的IPV4地址已经开始不够用了，因此为了缓解这种问题，采用以下方案：

（1）动态分配IP地址

> 当有些IP地址没有在使用时并进行回收，动态的把这些空闲IP地址分配给其他主机

（2）采用NAT方式

> NAT方式区分内网IP和外网IP，让一个局域网的许多个内网IP使用一个外网IP，外网区分内网的数据，就是通过端口号来区分的。网络的连接，是一个 五元组，即使是 IP 相同也没事。
> 
>  *  外网IP可以在互联网随便访问外网IP
>  *  内网IP访问其他局域网的内网IP是不被允许的
>  *  外网IP访问内网IP也是不被允许的
>  *  当内网IP访问外网IP时，需要对应的局域网的路由器设备触发NAT机制进行IP替换，将网络数据报的源IP替换成自己的IP

（3）采用IPV6协议

IPV6协议采用的是16个字节，128位来表示IP地址，即IPV4的4次方，这样可以彻底解决IP地址不够用的问题。

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