计算机网络学习（七）—

计算机网络学习（七）——IP

一、IP

在计算机网络中，IP（Internet Protocol，网际协议）是网络层的核心协议，用于实现跨越不同网络的数据包传输。IP 是 TCP/IP 协议族的核心部分，属于网络层协议，也是 Internet 赖以运作的基础协议之一。

IP 协议负责：

为设备分配唯一的IP地址；
封装、传输和路由数据包；
在多个子网和网络之间转发数据，实现“尽力而为”的交付；
提供无连接、不可靠的数据包传输服务。

IP 不保证数据可靠送达，它只负责把数据“尽力送到目标地址”。

核心特点：

特点	说明
无连接	不建立连接，直接发送数据包
不可靠	不保证数据包送达、不重传
尽力而为交付	有可能丢包、重复或乱序
分包和重组	超过 MTU 的数据会被分片
路由寻址	支持通过路由器跨网络转发数据包

二、IP 协议的主要版本

协议版本	简称	说明
IPv4	Internet Protocol version 4	当前主流协议，32位地址
IPv6	Internet Protocol version 6	新一代协议，128位地址，解决 IPv4 地址耗尽问题

三、IP数据报文结构

参考书——计算机网络 (第8版）- 谢希仁。

1. IPv4报文结构

IPv4 报文头至少 20 字节，结构如下：
在这里插入图片描述

版本：占4位，指协议IP的版本，对IPv4该字段是4。
首部长度：占4位，可表示的最大十进制数值是15。请注意，首部长度字段所表示数的单位是32位字长( 1个32位字长是4字节）。
区分服务：占8位，用来获得更好的服务。
总长度：总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为16位，因此数据报的最大长度为 $2^{16}$ - 1 = 65535字节。
标识(identifi cation) ：占16位。IP 软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1 , 并将此值赋给标识字段。
标志(flag)：占3位。
片偏移：占13位。片偏移指出：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。
生存时间：占8位，生存时间字段常用的英文缩写是TTL (Time To Live)，表明这是数据报在网络中的寿命。
协议：占8位，协议字段指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个协议进行处理。
首部检验和：占16位。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。
源地址：占32位。发送IP数据报的主机的IP地址。
目的地址：占32位。接收IP数据报的主机的IP地址。

2. IPv6报文结构

IPv6 报文头至少 40 字节，结构如下：
在这里插入图片描述

版本(version) ：占4位。它指明了协议的版本，对 IPv6 该字段是6。
通信量类(traffic class) ：占8 位。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级，和IPv4 的区分服务字段的作用相似。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。
流标号(flow label) ：占20位。IPv6 的一个新的机制是支持资源预分配，并且允许路由器把每一个数据报与一个给定的资源分配相联系。
有效载荷长度(payload length) ：占16位。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内）。这个字段的最大值是64 KB (65535 字节）。
下一个首部(next header) ：占8位。它相当千 IPv4 的协议字段或可选字段。
跳数限制( hop limit ) ：占8位。用来防止数据报在网络中无限期地存在。
源地址：占128 位。是数据报的发送端的 IP 地址。
目的地址：占128位。是数据报的接收端的 IP 地址。

四、IP 地址与子网

1. IP 地址分类（IPv4）

类别	范围	用途
A	1.0.0.0 - 126.0.0.0	大型网络
B	128.0.0.0 - 191.255.0.0	中型网络
C	192.0.0.0 - 223.255.255.0	小型网络
D	224.0.0.0 - 239.255.255.255	多播
E	240.0.0.0 - 255.255.255.255	实验用途

IP地址分类图示：
在这里插入图片描述

2. 子网掩码

子网掩码（Subnet Mask）是用于划分网络地址与主机地址的关键机制。
通过子网掩码，我们可以判断两个 IP 地址是否属于同一个子网，并支持将一个 IP 网络进一步划分成多个子网，优化地址使用与网络管理。

工作原理（与运算）：
子网掩码通过与 IP 地址进行按位与（AND）运算来提取网络地址：

IP：      192.168.1.10   → 11000000.10101000.00000001.00001010  
掩码：    255.255.255.0  → 11111111.11111111.11111111.00000000  
网络地址：             → 11000000.10101000.00000001.00000000 → 192.168.1.0

五、IP 的关键机制

1. 分片与重组

分片（Fragmentation）与重组（Reassembly）是 IP 协议在传输大型数据包时为适应不同网络链路的最大传输单元（MTU）所采用的重要机制，主要在 IPv4 中使用。

当 IP 数据包超过链路的最大传输单元（MTU）时，会被分片传输；
接收端将分片重组成原始数据；
重组只在目的主机完成，中间路由器不重组。

分片示例：
参考书——计算机网络 (第8版）- 谢希仁。
在这里插入图片描述

2. TTL（Time To Live）

限制数据包在网络中的“寿命”；
每经过一个路由器，TTL 减 1；
TTL 为 0 时，数据包被丢弃，防止路由环路。

3. 路由与转发

IP 依靠路由器将数据包从源主机传送到目的主机；
每个路由器根据目标IP地址和路由表决定下一跳。

六、IPv4 vs IPv6

项目	IPv4	IPv6
地址长度	32 位（4字节）	128 位（16字节）
地址表示	十进制，如 192.168.1.1	十六进制，如 2001:0db8::1
地址数量	约 43 亿个	2^128，几乎无限
报文结构	复杂，支持分片等	简化，无中间分片，效率更高
NAT 支持	支持，常用于节省地址	不再需要 NAT，端到端通信
安全性	无内建安全，需借助IPSec	内建支持 IPSec 安全机制

七、IP 与其他协议的关系

IP 协议本身不提供可靠性，它通过与其他协议配合完成通信：

层级	协议	作用
传输层	TCP、UDP	提供端到端通信（可靠或快速）
网络层	IP（本层）	实现网络间通信与寻址
链路层	Ethernet、Wi-Fi 等	实现局域网中的物理传输
辅助协议	ICMP、ARP、DHCP	支持控制、地址解析、配置等