圖解 IP 基礎知識！

時間 2020-12-22

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IP 協議

路由器對分組進行轉發後，就會把數據包傳到網絡上，數據包最終是要傳遞到客戶端或者服務器上的，那麼數據包怎麼知道要發往哪裏呢？起到關鍵做用的就是 IP 協議。git

IP 主要分爲三個部分，分別是 IP 尋址、路由和分包組包。下面咱們主要圍繞這三點進行闡述。程序員

IP 地址

既然一個數據包要在網絡上傳輸，那麼確定須要知道這個數據包到底發往哪裏，也就是說須要一個目標地址信息，IP 地址就是鏈接網絡中的全部主機進行通訊的目標地址，所以，在網絡上的每一個主機都須要有本身的 IP 地址。github

在 IP 數據報發送的鏈路中，有可能鏈路很是長，好比說由中國發往美國的一個數據報，因爲網絡抖動等一些意外因素可能會致使數據報丟失，這時咱們在這條鏈路中會放入一些 中轉站，一方面可以確保數據報是否丟失，另外一方面可以控制數據報的轉發，這個中轉站就是咱們前面聊過的路由器，這個轉發過程就是 路由控制。安全

路由控制(Routing) 是指將分組數據發送到最終目標地址的功能，即時網絡複雜多變，也可以經過路由控制到達目標地址。所以，一個數據報可否到達目標主機，關鍵就在於路由器的控制。服務器

這裏有一個名詞，就是 跳，由於在一條鏈路中可能會佈滿不少路由器，路由器和路由器之間的數據報傳送就是跳，好比你和隔壁老王通訊，中間就可能會通過路由器 A-> 路由器 B -> 路由器 C 。微信

那麼一跳的範圍有多大呢？網絡

一跳是指從源 MAC 地址到目標 MAC 地址之間傳輸幀的區間，這裏引出一個新的名詞，MAC 地址是啥？性能

MAC 地址指的就是計算機的物理地址(Physical Address)，它是用來確認網絡設備位置的地址。在 OSI 網絡模型中，網絡層負責 IP 地址的定位，而數據鏈路層負責 MAC 地址的定位。MAC 地址用於在網絡中惟一標示一個網卡，一臺設備如有一或多個網卡，則每一個網卡都須要並會有一個惟一的 MAC 地址，也就是說 MAC 地址和網卡是緊密聯繫在一塊兒的。大數據

路由器的每一跳都須要詢問當前中轉的路由器，下一跳應該跳到哪裏，從而跳轉到目標地址。而不是數據報剛開始發送後，網絡中全部的通路都會顯示出來，這種屢次跳轉也叫作多跳路由。

IP 地址定義

現現在有兩個版本的 IP 地址，IPv4 和 IPv6，咱們首先探討一下現現在還在普遍使用的 IPv4 地址，後面再考慮 IPv6 。

IPv4 由 32 位正整數來表示，在計算機內部會轉化爲二進制來處理，可是二進制不符合人類閱讀的習慣，因此咱們根據易讀性的原則把 32 位的 IP 地址以 8 位爲一組，分紅四組，每組之間以 . 進行分割，再將每組轉換爲十進制數。以下圖所示

那麼上面這個 32 位的 IP 地址就會被轉換爲十進制的 156.197.1.1。

除此以外，從圖中咱們還能夠獲得以下信息

每一個這樣 8 位位一組的數字，天然是非負數，其取值範圍是 [0,255]。

IP 地址的總個數有 2^32 次冪個，這個數值算下來是 4294967296 ，大概能容許 43 億臺設備鏈接到網絡。實際上真的如此嗎？

實際上 IP 不會以主機的個數來配置的，而是根據設備上的 網卡(NIC) 進行配置，每一塊網卡都會設置一個或者多個 IP 地址，並且一般一臺路由器會有至少兩塊網卡，因此能夠設置兩個以上的 IP 地址，因此主機的數量遠遠達不到 43 億。

IP 地址構造和分類

IP 地址由 網絡標識 和 主機標識 兩部分組成，網絡標識表明着網絡地址，主機標識表明着主機地址。網絡標識在數據鏈路的每一個段配置不一樣的值。網絡標識必須保證相互鏈接的每一個段的地址都不重複。而相同段內相連的主機必須有相同的網絡地址。IP 地址的 主機標識 則不容許在同一網段內重複出現。

舉個例子來講：好比說我在石家莊(好像不用好比昂)，我所在的小區的某一棟樓就至關因而網絡標識，某一棟樓的第幾戶就至關因而個人主機標識，固然若是你有整棟樓的話，那就當我沒說。你能夠經過xx省xx市xx區xx路xx小區xx棟來定位個人網絡標識，這一棟的第幾戶就至關因而個人網絡標識。

IP 地址分爲四類，分別是 A類、B類、C類、D類、E類，它會根據 IP 地址中的第 1 位到第 4 位的比特對網絡標識和主機標識進行分類。

A 類：(1.0.0.0 - 126.0.0.0)（默認子網掩碼：255.0.0.0 或 0xFF000000）第一個字節爲網絡號，後三個字節爲主機號。該類 IP 地址的最前面爲 0 ，因此地址的網絡號取值於 1~126 之間。通常用於大型網絡。
B 類：(128.0.0.0 - 191.255.0.0)（默認子網掩碼：255.255.0.0 或 0xFFFF0000）前兩個字節爲網絡號，後兩個字節爲主機號。該類 IP 地址的最前面爲 10 ，因此地址的網絡號取值於 128~191 之間。通常用於中等規模網絡。
C 類：(192.0.0.0 - 223.255.255.0)（子網掩碼：255.255.255.0 或 0xFFFFFF00）前三個字節爲網絡號，最後一個字節爲主機號。該類 IP 地址的最前面爲 110 ，因此地址的網絡號取值於 192~223 之間。通常用於小型網絡。
D 類：是多播地址。該類 IP 地址的最前面爲 1110 ，因此地址的網絡號取值於 224~239 之間。通常用於多路廣播用戶。
E 類：是保留地址。該類 IP 地址的最前面爲 1111 ，因此地址的網絡號取值於 240~255 之間。

爲了方便理解，我畫了一張 IP 地址分類圖，以下所示

根據不一樣的 IP 範圍，有下面不一樣的地總空間分類

子網掩碼

子網掩碼(subnet mask) 又叫作網絡掩碼，它是一種用來指明一個 IP 地址的哪些位標識的是主機所在的網絡。子網掩碼是一個 32位地址，用於屏蔽 IP 地址的一部分以區別網絡標識和主機標識。

一個 IP 地址只要肯定了其分類，也就肯定了它的網絡標識和主機標識，由此，各個分類所表示的網絡標識範圍以下

用 1 表示 IP 網絡地址的比特範圍，0 表示 IP 主機地址的範圍。將他們用十進制表示，那麼這三類的表示以下

保留地址

在IPv4 的幾類地址中，有幾個保留的地址空間不能在互聯網上使用。這些地址用於特殊目的，不能在局域網外部路由。

IP 協議版本

目前，全球 Internet 中共存有兩個IP版本：IP 版本 4（IPv4）和 IP 版本6（IPv6）。 IP 地址由二進制值組成，可驅動 Internet 上全部數據的路由。 IPv4 地址的長度爲 32 位，而 IPv6 地址的長度爲 128 位。

Internet IP 資源由 Internet 分配號碼機構（IANA）分配給區域 Internet 註冊表（RIR），例如 APNIC，該機構負責根 DNS ，IP 尋址和其餘 Internet 協議資源。

下面咱們就一塊兒認識一下 IP 協議中很是重要的兩個版本 IPv4 和 IPv6。

IPv4

IPv4 的全稱是 Internet Protocol version 4，是 Internet 協議的第四版。IPv4 是一種無鏈接的協議，這個協議會盡最大努力交付數據包，也就是說它不能保證任何數據包能到達目的地，也不能保證全部的數據包都會按照正確的順序到達目標主機，這些都是由上層好比傳輸控制協議控制的。也就是說，單從 IP 看來，這是一個不可靠的協議。

前面咱們講過網絡層分組被稱爲 數據報，因此咱們接下來的敘述也會圍繞着數據報展開。

IPv4 的數據報格式以下

IPv4 數據報中的關鍵字及其解釋

版本字段(Version)佔用 4 bit，通訊雙方使用的版本必須一致，對於 IPv4 版原本說，字段值是 4。
首部長度(Internet Header Length) 佔用 4 bit，首部長度說明首部有多少 32 位(4 字節)。因爲 IPv4 首部可能包含不肯定的選項，所以這個字段被用來肯定數據的偏移量。大多數 IP 不包含這個選項，因此通常首部長度設置爲 5，數據報爲 20 字節。
服務類型(Differential Services Codepoint，DSCP) 佔用 6 bit，以便使用不一樣的 IP 數據報，好比一些低時延、高吞吐量和可靠性的數據報。服務類型以下表所示

擁塞通告(Explicit Congestion Notification，ECN) 佔用 2 bit，它容許在不丟棄報文的同時通知對方網絡擁塞的發生。ECN 是一種可選的功能，僅當兩端都支持並但願使用，且底層網絡支持時才被使用。最開始 DSCP 和 ECN 統稱爲 TOS，也就是區分服務，可是後來被細化爲了 DSCP 和 ECN。
數據報長度(Total Length) 佔用 16 bit，這 16 位是包括在數據在內的總長度，理論上數據報的總長度爲 2 的 16 次冪 - 1，最大長度是 65535 字節，可是實際上數據報不多有超過 1500 字節的。IP 規定全部主機都必須支持最小 576 字節的報文，但大多數現代主機支持更大的報文。當下層的數據鏈路協議的最大傳輸單元（MTU）字段的值小於 IP 報文長度時，報文就必須被分片。
標識符(Identification) 佔用 16 bit，這個字段用來標識全部的分片，由於分片不必定會按序到達，因此到達目標主機的全部分片會進行重組，每產生一個數據報，計數器加1，並賦值給此字段。
標誌(Flags) 佔用 3 bit，標誌用於控制和識別分片，這 3 位分別是
- 0 位：保留，必須爲0；
- 1 位：禁止分片（Don’t Fragment，DF），當 DF = 0 時才容許分片；
- 2 位：更多分片（More Fragment，MF），MF = 1 表明後面還有分片，MF = 0 表明已是最後一個分片。
若是 DF 標誌被設置爲 1 ，可是路由要求必須進行分片，那麼這條數據報回丟棄
分片偏移(Fragment Offset) 佔用 13 位，它指明瞭每一個分片相對於原始報文開頭的偏移量，以 8 字節做單位。
存活時間(Time To Live，TTL) 佔用 8 位，存活時間避免報文在互聯網中迷失，好比陷入路由環路。存活時間以秒爲單位，但小於一秒的時間均向上取整到一秒。在現實中，這實際上成了一個跳數計數器：報文通過的每一個路由器都將此字段減 1，當此字段等於 0 時，報文再也不向下一跳傳送並被丟棄，這個字段最大值是 255。
協議(Protocol) 佔用 8 位，這個字段定義了報文數據區使用的協議。協議內容能夠在 https://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml 官網上獲取。
首部校驗和(Header Checksum) 佔用 16 位，首部校驗和會對字段進行糾錯檢查，在每一跳中，路由器都要從新計算出的首部檢驗和並與此字段進行比對，若是不一致，此報文將會被丟棄。
源地址(Source address) 佔用 32 位，它是 IPv4 地址的構成條件，源地址指的是數據報的發送方
目的地址(Destination address)佔用 32 位，它是 IPv4 地址的構成條件，目標地址指的是數據報的接收方
選項(Options) 是附加字段，選項字段佔用 1 - 40 個字節不等，通常會跟在目的地址以後。若是首部長度 > 5，就應該考慮選項字段。
數據 不是首部的一部分，所以並不被包含在首部檢驗和中。

在 IP 發送的過程當中，每一個數據報的大小是不一樣的，每一個鏈路層協議能承載的網絡層分組也不同，有的協議可以承載大數據報，有的卻只能承載很小的數據報，不一樣的鏈路層可以承載的數據報大小以下。

IPv4 分片

一個鏈路層幀能承載的最大數據量叫作最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit, MTU)，每一個 IP 數據報封裝在鏈路層幀中從一臺路由器傳到下一臺路由器。由於每一個鏈路層所支持的最大 MTU 不同，當數據報的大小超過 MTU 後，會在鏈路層進行分片，每一個數據報會在鏈路層單獨封裝，每一個較小的片都被稱爲 片(fragement)。

每一個片在到達目的地後會進行重組，準確的來講是在運輸層以前會進行重組，TCP 和 UDP 都會但願發送完整的、未分片的報文，出於性能的緣由，分片重組不會在路由器中進行，而是會在目標主機中進行重組。

當目標主機收到從發送端發送過來的數據報後，它須要肯定這些數據報中的分片是不是由源數據報分片傳遞過來的，若是是的話，還須要肯定什麼時候收到了分片中的最後一片，而且這些片會如何拼接一塊兒成爲數據報。

針對這些潛在的問題，IPv4 設計者將 標識、標誌和片偏移放在 IP 數據報首部中。當生成一個數據報時，發送主機會爲該數據報設置源和目的地址的同時貼上標識號。發送主機一般將它發送的每一個數據報的標識 + 1。當某路由器須要對一個數據報分片時，造成的每一個數據報具備初始數據報的源地址、目標地址和標識號。當目的地從同一發送主機收到一系列數據報時，它可以檢查數據報的標識號以肯定哪些數據是由源數據報發送過來的。因爲 IP 是一種不可靠的服務，分片可能會在網路中丟失，鑑於這種狀況，一般會把分片的最後一個比特設置爲 0 ，其餘分片設置爲 1，同時使用偏移字段指定分片應該在數據報的哪一個位置。

IPv4 尋址

IPv4 支持三種不一樣類型的尋址模式，分別是

單播尋址模式：在這種模式下，數據只發送到一個目的地的主機。

廣播尋址模式：在此模式下，數據包將被尋址到網段中的全部主機。這裏客戶端發送一個數據包，由全部服務器接收：

組播尋址模式：此模式是前兩種模式的混合，即發送的數據包既不指向單個主機也不指定段上的全部主機

IPv6

隨着斷系統接入的愈來愈多，IPv4 已經沒法知足分配了，因此，IPv6 應運而生，IPv6 就是爲了解決 IPv4 的地址耗盡問題而被標準化的網際協議。IPv4 的地址長度爲 4 個 8 字節，即 32 比特，而 IPv6 的地址長度是原來的四倍，也就是 128 比特，通常寫成 8 個 16 位字節。

從 IPv4 切換到 IPv6 及其耗時，須要將網絡中全部的主機和路由器的 IP 地址進行設置，在互聯網不斷普及的今天，替換全部的 IP 是一個工做量及其龐大的任務。咱們後面會說。

咱們先來看一下 IPv6 的地址是怎樣的

版本與 IPv4 同樣，版本號由 4 bit 構成，IPv6 版本號的值爲 6。
流量類型(Traffic Class) 佔用 8 bit，它就至關於 IPv4 中的服務類型(Type Of Service)。
流標籤(Flow Label) 佔用 20 bit，這 20 比特用於標識一條數據報的流，可以對一條流中的某些數據報給出優先權，或者它可以用來對來自某些應用的數據報給出更高的優先權，只有流標籤、源地址和目標地址一致時，纔會被認爲是一個流。
有效載荷長度(Payload Length) 佔用 16 bit，這 16 比特值做爲一個無符號整數，它給出了在 IPv6 數據報中跟在鼎昌 40 字節數據報首部後面的字節數量。
下一個首部(Next Header) 佔用 8 bit，它用於標識數據報中的內容須要交付給哪一個協議，是 TCP 協議仍是 UDP 協議。
跳限制(Hop Limit) 佔用 8 bit，這個字段與 IPv4 的 TTL 意思相同。數據每通過一次路由就會減 1，減到 0 則會丟棄數據。
源地址(Source Address) 佔用 128 bit (8 個 16 位 )，表示發送端的 IP 地址。
目標地址(Destination Address) 佔用 128 bit (8 個 16 位 )，表示接收端 IP 地址。

能夠看到，相較於 IPv4 ，IPv6 取消了下面幾個字段

標識符、標誌和比特偏移：IPv6 不容許在中間路由器上進行分片和從新組裝。這種操做只能在端系統上進行，IPv6 將這個功能放在端系統中，加快了網絡中的轉發速度。
首部校驗和：由於在運輸層和數據鏈路執行了報文段完整性校驗工做，IP 設計者大概以爲在網絡層中有首部校驗和比較多餘，因此去掉了。IP 更多專一的是快速處理分組數據。
選項字段：選項字段再也不是標準 IP 首部的一部分了，可是它並無消失，而是可能出如今 IPv6 的擴展首部，也就是下一個首部中。

IPv6 擴展首部

IPv6 首部長度固定，沒法將選項字段加入其中，取而代之的是 IPv6 使用了擴展首部

擴展首部一般介於 IPv6 首部與 TCP/UDP 首部之間，在 IPv4 中可選長度固定位 40 字節，在 IPv6 中沒有這樣的限制。IPv6 的擴展首部能夠是任意長度。擴展首部中還能夠包含擴展首部協議和下一個擴展字段。

IPv6 首部中沒有標識和標誌字段，對 IP 進行分片時，須要使用到擴展首部。

具體的擴展首部表以下所示

下面咱們來看一下 IPv6 都有哪些特色

IPv6 特色

IPv6 的特色在 IPv4 中得以實現，可是即使實現了 IPv4 的操做系統，也未必實現了 IPv4 的全部功能。而 IPv6 卻將這些功能大衆化了，也就代表這些功能在 IPv6 已經進行了實現，這些功能主要有

地址空間變得更大：這是 IPv6 最主要的一個特色，即支持更大的地址空間。
精簡報文結構: IPv6 要比 IPv4 精簡不少，IPv4 的報文長度不固定，並且有一個不斷變化的選項字段；IPv6 報文段固定，而且將選項字段，分片的字段移到了 IPv6 擴展頭中，這就極大的精簡了 IPv6 的報文結構。
實現了自動配置：IPv6 支持其主機設備的狀態和無狀態自動配置模式。這樣，沒有 DHCP 服務器不會中止跨段通訊。
層次化的網絡結構： IPv6 再也不像 IPv4 同樣按照 A、B、C等分類來劃分地址，而是經過 IANA -> RIR -> ISP 這樣的順序來分配的。IANA 是國際互聯網號碼分配機構，RIR 是區域互連網註冊管理機構，ISP 是一些運營商（例如電信、移動、聯通）。
IPSec：IPv6 的擴展報頭中有一個認證報頭、封裝安全淨載報頭，這兩個報頭是 IPsec 定義的。經過這兩個報頭網絡層本身就能夠實現端到端的安全，而無需像 IPv4 協議同樣須要其餘協議的幫助。
支持任播：IPv6 引入了一種新的尋址方式，稱爲任播尋址。