网络编程 ———— IP协议（IPV4&IPV6)

Posted 2022-04-30 爱敲代码的三毛

接上一篇博客 万字详解TCP协议

文章目录

• IPV4首部
• • (1) 4位版本号(4个比特位)
  • (2) 4位首部长度
  • (3) 8位服务类型(TOS)
  • (4) 16位总长度
  • (5) 8位生存时间(TTL)
  • (6) 8位协议
  • (7) 16位首部校验和
  • (8) 32位源IP地址+32位目的IP地址
• IP协议
• • 1.地址管理
  • 2.路由算法(路由选择)
  • 3.特殊的IP地址
• NAT
• • 1. 动态分配IP
  • 2.NAT机制（网络地址替换）
• IPv6

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IPV4首部

(1) 4位版本号(4个比特位)

4位能表示的范围是 0-15 ,指定IP协议的版本，对于IPV4来说就为4

(2) 4位首部长度

首部长度也是4位(0-15)，单位为4个字节，4个比特位能表示的最大数字是15，因此IP头部最大长度是4*15，也就是60个字节

(3) 8位服务类型(TOS)

TOS：Type Of Service,由8个比特位构成。

前3个比特位(0到2)为优先度权字段(已经弃用)

3到6分别为最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。

这四个bit位中，必须只有一个为1，其他的得是0，不能有多个同时是1,因为不能同时保证最低延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本，这4个之间是发送冲突的

最后一位则为保留位，暂时没有定义

但实际开发中，很少涉及到这里。

列如你想要最小延迟时，还是得在应用层(应用程序中)，通过一些巧妙地算法、数据结构来提高这里的效率

(4) 16位总长度

和UDP一样IPV4首部也有64K长度的字段

虽然IP协议看起来也是有个最大64K的限制，但是实际上，IP协议内置了分包组包功能

如果一个数据太长了，IP协议就会自动的拆成多个数据报，然后进行传输，然后进行传输，然后接收方就会重新进行组包

16位标识，相当于IP数据报的身份标识，把一个数据拆成多个IP数据报的时候，这三个IP数据报的标识是相同的

13位片偏移，就描述了当前这个包的顺序

3位标志：第一位暂未使用默认必须需是0，第二位表示"禁止分片"为0表示可以分片，为1表示不能分片，第三位表示"更多分片"，如果第三位为1表示当前这个分片就是最后一个分片了。如果第三位0表示当前这个分片不是最后一个分片，后面还有分片

如果要在应用层，基于UDP实现拆包组包，就可以照着IP协议的方式抄作业

(5) 8位生存时间(TTL)

这个字段表示一个IP数据报最多在网络上存活多久，这个TTL不是一个"时间"概念，而是一个"次数"。由8个bit构成

TTL是指可以中转多少个路由器的意思，每经过一个路由器，TTL会减少1，直到变成0则丢弃该包。如果默认的TTL是64，经过24个路由器后，那么TTL就剩40了

为啥要有TTL？

主要防止这个IP数据报出现环路转发的情况

主机A => 主机B => 主机C => 主机A

(6) 8位协议

8位协议指的是当前的数据被接收方收到之后，分用的时候，要把载荷(数据)内容交给传输层的哪个协议

分用的时候就需要保证，载荷数据内容得和接下来交给的协议相匹配

这个IP报头中就会通过8位协议来制定传输层使用哪个协议来解析数据，具体就需要去查RFC文档

(7) 16位首部校验和

这个 校验和其实也就是一个类似于crc这样的东西

但是此处只需要校验首部即可，载荷部分(就是一个完整的TCP/UDP数据报)其实已经由TCP或者UDP自己进行校验了

(8) 32位源IP地址+32位目的IP地址

源IP就表示"发件人地址"，目的IP就表示"收件人地址"，IP协议最重要做的事情就是这个事情

IP协议

IP协议核心功能：

1. 地址管理：能通过一系列的规则，把网络上的设备的地址给描述出来
2. 路由选择：根据当下的源地址和目的地址，规划出一条合适的路径

IPV4协议中，主要通过一个32位整数来表示

更常见的做法是把这个32位整数表示成"点分十进制"，使用3个点，把一个32位的数字分成4份，每一份就是8bit(一个字节)，每一份就是[0-255]

比如 192.168.0.1

192 = 1100 0000

168 = 1010 1000

0 = 0000 0000

1 = 0000 0001

点分十进制存粹是给人看的，而计算机内部仍然是通过32位整数来表示的

1.地址管理

网段划分(组建局域网的时候非常关键)

要求一个局域网里的主机，网络号要相同，主机号不能相同

两个相邻的局域网(通过同一个路由器连接的局域网)，网络号必须不相同

把IP地址一分为2，前半部分叫网络号，后半部分叫主机号

如何划分从哪到哪是网络号，可以通过子网掩码来区分

子网掩码非常有特点，左半部分都是1，右半部分都是0

然后把子网掩码和ip地址进行按位与运算，得到的结果就是网络号

子网掩码不一定非得是255.255.255.0，但是这个是最常见的

2.路由算法(路由选择)

此处的路由选择的过程其实就是A到B之间选择一条合适的路径来选择一条路线

这个路径会综合考虑，路径的长短，通信的速度，设备开销的大小

3.特殊的IP地址

1. 如果是主机号为全0，这个IP就表示网络号，表示当前这个网段

2. 如果是主机号为1，这个IP通常表示当前网段的“网关”（就是路由器，这个网络的出入口）

3. 如果是主机号为255，这个IP表示"广播IP"

   如果搞一个UDP数据报，然后把目的IP写成主机号为 255 的IP，此时这个数据就能在当前局域网中广播(会发给每一个局域网中的设备)

4. 127.*，典型的就是127.0.0.1 环回IP表示自己

NAT

32位的IP地址，其实最多能表示42亿9千万，在当下互联网42亿是不够用的

那么如何解决IP地址不够用的问题呢？

1. 动态分配IP

一个设备接入网络，就分配，没接入网咯就不分配，因为并不是所有设备都在同时联网。但是这种办法并不是很好，因为设备毕竟这么多，并不能保证这些设备一些联网，一些不联网

2.NAT机制（网络地址替换）

使用一个IP地址，来代表一批主机

举个列子

上网买衣服填地址

收件人地址：XX省XX市XX区XX大学

收件人电话：通过电话再来具体区分收件人是谁

这个地址就能表示大学的所有学生的收货地址

一个局域网的中设备的IP是局域网中的IP，局域网的IP就只能在局域网内部来使用

类似于 192.168.xxx.xxx这样的IP，一定是一个局域网内部的IP

局域网内部的IP在同一个局域网内部不能重复，但是两个不同的局域网可以使用重复的局域网IP

此时直接连接到广域网(外网)的路由器设备就会有一个”外网IP“

实际上，这样的局域网里面的设备可能有很多，网络结构可能也很复杂。一个外网IP可能代表着几百，几千甚至几万个网络设备

当局域网内部的数据往广域网上发送的时候，此时路由器就会自动的把其中的源IP替换了**

NAT机制是当下咱们互联网中的典型情况

三类IP都表示局域网

1. 10.*****
2. 172.16.-172.31.
3. 192.168.*

NAT机制虽热解决了IP地址不够用的问题，但是也引入了其它的问题

比如在自己的机器上搭建了一个服务器，此时想让其它用户通过外网来访问你的服务器，这个时候做不到

自己的机器，只有局域网IP(内网IP),内网IP是可以重复的

其它主机没法就根据一个内网IP找到你的服务器(除非是在同一个局域网里)

IPv6

IPV6相当于IPV4的升级版

IPv4是使用4个字节(32位)表示IP地址，IPv6使用16个字节(128位)表示IP地址。

IPv6从根本上解决了IP地址不够用的问题，IPv6和IPv4是不兼容的，所以升级IPv6是一件成本比较高的事情

当下主流还是IPV4，也可能几年后会慢慢普及

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