IP协议详细图解

IP协议是位于网络层的重要协议，其主要有两大功能

• 地址管理
• 路由选择

认识IP协议报头

• 8位服务类型（TOS）只有四位有效（同一时刻只能选一个状态，为规划最优路径的标准提供参考），分别为
  • 最小延时
  • 最大吞吐量
  • 最高可靠性
  • 最小成本
• 16位总长度限制了单个IP数据报的长度（64k），所以IP协议在传输过程中会自动进行分包组包
  • IP协议的分包组包过程：
    • 16位标识：区分是否为同一个包
    • 13位片偏移：来自同一个数据不同包的先后顺序
    • 3位标志位：是否为最后一个数据包了
      
• 8位生存时间
  • 当一个IP数据报被发出时，会有一个初始的TTL，每经过一个路由器/交换机，TTL-1
  • 当TTL减为0，收到该包的路由器就会丢了该包
  • 正常的IP数据报会在TTL减为0之前达到
  • 这个生存时间是为了预防一些不能达到的IP数据报无休止的传输

地址管理

IP地址是一个 点分十进制 构成的数据（例如 127.0.0.1 环回IP）
IP地址 = 网络号（描述当前网段信息，局域网的标识） + 主机号（区分一个局域网内不同的主机）

• 同一个局域网中的主机，网络号相同，主机号不同
• 两个相邻的局域网 网络号不同
  
  • 如果IP的主机号全为0，则该IP表示网络号
  • 如果IP的主机号全为1（255），则该IP表示广播号
  • 如果IP是127开头的，则该IP “环回IP”（主机自己）
  • 如果IP是10，192.168,172.16 – 172.31开头的，则该IP 是一个局域网内部的IP（内网IP），其余为外网IP
  • 外网IP一定是唯一的，内网IP在当前局域网中唯一

NAT机制

• 让多个设备共用同一个外网IP，要求外网IP必须是唯一的，内网IP在当前局域网中可以重复
• 同一个局域网中区分不同的主机可以通过端口号来区分
• 两个局域网中的设备要实现通信，怎么办呢？
  • 通过一个具有外网IP的服务器（主机3和主机4通信，通过QQ服务器）
  • NAT机制中，一个局域网内最多的主机个数就是端口号个数（65535），这也限制了主机数量

IPV6：虽然有NAT机制，但是也有一定的限制（同一局域网内的主机数不能超过65535台），要从根本上解决这个问题 – 就引入了IPv6
IPv4：4个字节，32个比特位
IPv6：16个字节，128个比特位（号称能给地球上每一粒沙子分配唯一的IP地址）

路由选择

IP协议的路由选择就类似于 “问路”，IP数据报在传输的过程中，如果当前的路由器知道目的地址在哪，就会直接告诉他，如果不知道，会给一个大概的方向（下一跳），该数据报到了之后继续 “问路”，直到到达目的IP。

• 在路由器内部，维护了一个路由表，记录了一些网段信息（网络号），以及每个网络号对应的接口
• 在一个新的路由设备接入局域网时，该路由器就会和局域网内的路由器 “交朋友”，得到自动更新周围的信息到路由表中，同时会得到周围路由表中的信息。