[面試∙網絡] TCP/IP（二）：IP協議

IP協議處於OSI參考模型的第三層——網絡層，網絡層的主要做用是實現終端節點間的通訊。IP協議是網絡層的一個重要協議，網絡層中還有ARP(獲取MAC地址)和ICMP協議(數據發送異常通知)

數據鏈路層的做用在於實現同一種數據鏈路下的包傳遞，而網絡層則能夠實現跨越不一樣數據鏈路的包傳遞。好比主機A經過Wi-Fi鏈接到路由器B，路由器B經過以太網鏈接到路由器C，而路由器C又經過Wi-Fi與主機D保持鏈接。這時主機A向D發送的數據包就依賴於網絡層進行傳輸。

這篇文章主要介紹IP協議的基本知識和IP首部，IP協議能夠分爲三大做用模塊：IP尋址、路由和IP分包。

IP地址

IP地址是一種在網絡層用於識別通訊對端信息的地址。它有別於數據鏈路層中的MAC地址，後者用於標識同一鏈路下不一樣的計算機。

舉一個形象的例子，我要從鎮江的家裏去瀋陽的東北大學，通訊兩端的地址分別是家和學校，他們至關於IP地址。然而沒有交通工具可讓我從家直接去學校，因此我先要打車去火車站，而後坐高鐵到瀋陽站，再轉公交去學校。這三次中轉分別屬於三種交通方式(數據鏈路)，每一次中轉都有起點和終點，他們就至關於MAC地址。每次中轉能夠稱爲一跳(Hop)

IP地址由32位正整數表示，爲了直觀的表示，咱們把它分紅4個部分，每一個部分由8位整數組成，對應十進制的範圍就是0-255。

好比172.20.1.1能夠表示爲：10101100 00010100 00000001 00000001。轉換規則很簡單，就是分別把四個部分的十進制(0-255)與8位二進制數字進行轉換。

從功能上看，IP地址由兩部分組成：網絡標識和主機標識。

網絡標識用於區分不一樣的網段，相同段內的主機必須擁有相同的網絡表示，不一樣段內的主機不能擁有相同的網絡標識。

主機標識用於區分同一網段下不一樣的主機，它不能在同一網段內重複出現。

32位IP地址被分爲兩部分，到底前多少位是網絡標識呢？通常有兩種方法表示：IP地址分類、子網掩碼。

IP分類

IP地址分爲四個級別，分別爲A類、B類、C類和D類。分類的依據是IP地址的前四位：

A類IP地址是第一位爲「0」的地址。A類IP地址的前8位是網絡標識，用十進制標識的話0.0.0.0-127.0.0.0是A類IP地址的理論範圍。另外咱們還能夠得知，A類IP地址最多隻有128個(其實是126個，下文不贅述)，每一個網段內主機上限爲2的24次方，也就是16，777，214個。

B類IP地址是前兩位爲「10「的地址。B類IP地址的前16位是網絡標識，用十進制標識的話128.0.0.0-191.255.0.0是B類IP地址的範圍。B類IP地址的主機標記長度爲16位，所以一個網段內可容納主機地址上限爲65534個。

C類IP地址是前三位爲「110」的地址。C類IP地址的前24位是網絡標識，用十進制標識的話192.0.0.0-223.255.255.0是C類IP地址的範圍。C類地址的後8位是主機標識，共容納254個主機地址。

D類IP地址是前四位爲「1110」的地址。D類IP地址的網絡標識長32位，沒有主機標識，所以經常使用於多播。

子網掩碼

IP地址總長度32位，它能表示的主機數量有限，大約在43億左右。而IP地址分類更是形成了極大的浪費，A、B類地址一共也就一萬多個，而世界上包含主機數量超過254的網段顯然不止這麼點。

咱們知道IP地址分類的本質是區分網絡標識和主機標識，另外一種更加靈活、細粒度的區分方法是使用子網掩碼。

子網掩碼長度也是32位，由一段連續的1和一段連續的0組成。1的長度就表示網絡標識的長度。以IP地址172.20.100.52爲例，它原本是一個B類IP地址(前16位是網絡標識)，但經過子網掩碼，它能夠是前26爲爲網絡標識的IP地址：

路由控制

路由控制(Routing)是指將分組數據發送到目標地址的功能，這個功能通常由路由器完成。(不要與家裏用的小型無線路由器混爲一談)

路由器中保存着路由控制表，它在路由控制表中查找目標IP地址對應的下一個路由器地址。下圖描述了這一過程：

主機A的地址是10.1.1.30,要把數據發往地址爲10.1.2.10的主機。在主機A的路由表中，保存了兩個字段，因爲目標地址10.1.2.10與10.1.1.0/24段不匹配，因此它被髮往默認路由10.1.1.1也就是圖中路由器1的左側網卡的IP地址。

路由器1繼續在它本身的路由控制表中查找目標地址10.1.2.10，它發現目標地址屬於10.1.2.0/24這一段，所以將數據轉發至下一個路由器10.1.0.2，也就是路由器2的左側網卡的地址。

路由器2在本身的路由控制表中查找目標地址10.1.2.10，根據表中記錄將數據發往10.1.2.1接口，也就是本身的右側網卡的IP地址。主機B檢查目標IP地址和本身相同，因而接收數據。

路由控制表

路由控制的關鍵在於路由控制表，路由控制表能夠由管理員手動設置，稱爲靜態路由控制，可是估計大部分人沒這麼幹過。這是由於路由器能夠喝其餘路由器互換信息比即便自動刷新路由表，這個信息交換的協議並無在IP協議中定義，而是由一個叫作「路由協議」的協議管理。

環路

上圖中，假設主機A向一個不存在的IP地址發送數據，而且路由器一、二、3設置的默認路由造成了一個循環，那麼數據將在網絡中不斷轉發最終致使網絡擁堵。這個問題將在下文分析IP首部時獲得解決。

IP報文分割重組

在數據鏈路層中，咱們已經提到過不一樣的數據鏈路有不一樣的最大傳輸單元(MTU)。所以IP協議的一個任務是對數據進行分片和重組。分片由發送端主機和路由器負責，重組由接收端主機負責。

路徑MTU發現

分片會加劇路由器的負擔，所以只要條件容許，咱們都不但願路由器對IP數據包進行分片處理。另外，若是一個分片丟失，整個IP數據報都會做廢。

解決以上問題的技術是「路徑MTU發現」。主機會首先獲取整個路徑中全部數據鏈路的最小MTU，並按照整個大小將數據分片。所以傳輸過程當中的任何一個路由器都不用進行分片工做。

爲了找到路徑MTU，主機首先發送整個數據包，並將IP首部的禁止分片標誌設爲1.這樣路由器在遇到須要分片才能處理的包時不會分片，而是直接丟棄數據並經過ICMP協議將整個不可達的消息發回給主機。

主機將ICMP通知中的MTU設置爲當前MTU，根據整個MTU對數據進行分片處理。如此反覆下去，直到再也不收到ICMP通知，此時的MTU就是路徑MTU。

以UDP協議發送數據爲例：

重組

接收端根據IP首部中的標誌(Flag)和片偏移(Fragment Offset)進行數據重組。具體內容將在分析IP首部時詳細解釋。

IP首部(IPv4)

IP首部是一個有些複雜的結構，咱們不用記憶它的結構，只需瞭解每一個部分的做用便可，這樣能夠加深對IP協議的理解。

其中幾個重要的部分介紹以下：

• 總長度(Total Length)：表示IP首部與數據部分總的字節數，該段長16比特，因此IP包的最大長度爲65535字節(2^16)。雖然不一樣數據鏈路的MTU不一樣，可是IP協議屏蔽了這些區別，經過本身實現的數據分片功能，從上層的角度來看，IP協議老是可以以65535爲最大包長進行傳輸。

• 標識（ID：Identification）：用於分片重組。屬於同一個分片的幀的ID相同。但即便ID相同，若是目標地址、源地址、上層協議中有任何一個不一樣，都被認爲不屬於同一個分片。

• 標誌（Flags）：因爲分片重組，由三個比特構成。

  第一個比特未使用，目前必須是0。

  第二個比特表示是否進行分片，0表示能夠分片，1表示不能分片。在路徑MTU發現技術中就用到了這個位。

  第三個比特表示在分片時，是否表示最後一個包。1表示不是最後一個包，0表示分配中最後一個包。

• 片偏移（FO: Fragment Offset）：由13比特組成，表示被分片的段相對於原始數據的位置。它能夠表示8192(2^13)個位置，單位爲8字節，因此最大能夠表示8 x 8192 = 65536字節的偏移量。

• 生存時間（TTL: Time To Live）：表示包能夠通過多少個路由器的中轉。每通過一個路由器，TTL減1。這樣能夠避免前文提到的無限傳遞包的問題。

• 協議： 表示IP首部的下一個首部屬於哪一個協議。好比TCP協議的編號爲6，UDP編號爲17.

• 首部校驗和：用於檢查IP首部是否損壞

• 可選項：僅在試驗或診斷時用，能夠沒有。若是有，須要配合填充（Padding）佔滿32比特。