网络层协议：IP

目录

1、概念

2、关键组成部分

2.1 IP地址

2.1.1 概念

2.1.2 主要版本

2.1.3 IP地址分类

2.2 IP数据报（IP协议传输的基本数据单元）

3、工作原理

3.1 路由

3.2 分片与重组

4、相关协议

1、概念

目的：负责在复杂的网络环境中将数据包从源主机路由和传递到目标主机。

定位：位于TCP/IP模型的网络层（或OSI模型的第3层），在传输层（如TCP, UDP）之下，数据链路层（如以太网, Wi-Fi）之上。

概念：提供跨越不同物理网络的逻辑寻址和路由功能，屏蔽底层网络技术的差异（如以太网、Wi-Fi、PPP、光纤等），使上层协议（TCP, UDP, ICMP等）无需关心数据包如何穿越各种物理网络。

特性：无连接、不可靠服务

  • 无连接： 发送数据包前不需要预先建立连接。每个数据包（IP数据报）都是独立寻路，路径可能不同

  • 不可靠： 不保证数据包一定能送达目的地，也不保证按顺序送达，不保证数据完整性（不提供确认、重传、流量控制机制）。这些可靠性保障由上层协议（如TCP）或应用程序自身负责。

  • 尽力而为： 不提供带宽或延迟保证（QoS需额外机制）。

  • 安全性： 原生IP不提供加密和强认证（依赖IPsec或上层协议如TLS）。

作用：

①、寻址：每个连接到网络的设备都有一个唯一的 IP 地址。IP 协议使用这些地址来标识数据包的源地址和目的地址，确保数据包能够准确地传输到目标设备。

②、路由：IP 协议负责决定数据包在网络传输中的路径。比如说路由器使用路由表和 IP 地址信息来确定数据包的最佳传输路径。

③、分片和重组：当数据包过大无法在某个网络上传输时，IP 协议会将数据包分成更小的片段进行传输。接收端会根据头部信息将这些片段重新组装成完整的数据包。

2、关键组成部分

2.1 IP地址

2.1.1 概念

唯一标识： 每个连接到IP网络的设备（主机、路由器）都必须有一个唯一的IP地址，用于在网络中标识自己。

逻辑地址： 与物理地址（如MAC地址）不同，IP地址是软件配置的，可以变化，用于在更大范围的网络中寻址。

2.1.2 主要版本

IPv4：32位二进制数（通常表示为点分十进制，如 192.168.1.1）。

  • 包含 网络部分 (标识设备所在的网络) 和 主机部分 (标识网络内的特定设备)。

  • 通过 子网掩码 来区分网络部分和主机部分。

操作二进制示例结果（十进制）
IP地址11000000.10101000.00000001.01100100192.168.1.100
子网掩码11111111.11111111.11111111.00000000255.255.255.0
网络号（IP AND 掩码）11000000.10101000.00000001.00000000192.168.1.0
主机号（IP AND 掩码取反）00000000.00000000.00000000.011001000.0.0.100

主要问题：

  • 地址枯竭： 32位地址空间（约42.9亿）已基本耗尽（通过NAT技术缓解）。

  • 配置复杂： 经常需要DHCP或手动配置。

  • 安全性： 设计之初未充分考虑安全性（依赖IPsec扩展）。

  • QoS支持有限： 依赖ToS字段，支持不够完善。

  • 报头设计： 包含选项字段，处理效率较低。

NAT：网络地址转换协议，我们知道属于不同局域网的主机可以使用相同的 IP 地址，从而一定程度上缓解了 IP 资源枯竭的问题，然而主机在局域网中使用的 IP 地址是不能在公网中使用的，当局域网主机想要与公网主机进行通信时，NAT 方法可以将该主机 IP 地址转换为全球 IP 地址。该协议能够有效解决 IP 地址不足的问题。

IPv6： 解决IPv4地址枯竭问题，使用128位地址（通常表示为8组4位十六进制数，如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），地址空间极其巨大，并简化了报头设计，增强了安全性和移动性。

关键改进：

  • 巨大的地址空间： 128位地址（约3.4×10³⁸个地址），彻底解决地址枯竭问题，支持端到端通信（减少NAT依赖）。

  • 简化的报头： 固定40字节基本报头，格式更简单高效，路由器处理更快。选项功能通过扩展报头实现。

  • 更好的QoS支持： 流标签字段便于识别和处理特定数据流。

  • 内建安全： IPsec支持成为协议标准组成部分（非强制）。

  • 改进的扩展性： 扩展报头机制更灵活。

  • 自动配置： SLAAC（无状态地址自动配置）简化了主机配置。

  • 更好的移动性支持： 移动IPv6设计更优。

2.1.3 IP地址分类

IP 地址 = {<网络号>，<主机号>}。

  1. 网络号：它标志主机所连接的网络地址表示属于互联网的哪一个网络。
  2. 主机号：它标志主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。

IP 地址分为 A，B，C，D，E 五大类：

  • A 类地址 (1~126)：以 0 开头，网络号占前 8 位，主机号占后面 24 位。
  • B 类地址 (128~191)：以 10 开头，网络号占前 16 位，主机号占后面 16 位。
  • C 类地址 (192~223)：以 110 开头，网络号占前 24 位，主机号占后面 8 位。
  • D 类地址 (224~239)：以 1110 开头，保留为多播地址。
  • E 类地址 (240~255)：以 1111 开头，保留位为将来使用

2.2 IP数据报（IP协议传输的基本数据单元）

结构： 由 报头 和 数据载荷 组成。

报头关键字段：

  • 版本 (Version)： 4位，标识IP版本（4或6）。

  • 首部长度 (IHL)： 4位，指示IP报头长度（以32位字为单位）。

  • 服务类型 (ToS / DSCP/ECN)： 8位，用于QoS（服务质量），指示数据包的优先级或服务要求（如延迟、吞吐量、可靠性）。

  • 总长度 (Total Length)： 16位，整个IP数据报（报头+数据）的长度（字节）。

  • 标识 (Identification)： 16位，用于唯一标识一个数据报或其分片。同一个数据报的所有分片共享相同的标识。

  • 标志 (Flags)： 3位：

    • Reserved：保留位。

    • DF (Don't Fragment)：为1时表示禁止路由器对此数据报分片。如果数据报太大无法通过下一跳网络，路由器会丢弃它并发送ICMP错误消息。

    • MF (More Fragments)：为1时表示这不是最后一个分片（后面还有分片）；为0时表示这是最后一个分片或是未分片的数据报。

  • 片偏移 (Fragment Offset)： 13位，指示该分片在原数据报数据部分中的相对位置（以8字节为单位）。用于接收方重组分片。

  • 生存时间 (TTL - Time To Live)： 8位，数据报在网络中允许经过的最大路由器跳数。每经过一个路由器，该值减1。当TTL减到0时，数据报被丢弃，并发送ICMP超时消息。主要作用是防止数据报在网络中无限循环。

  • 协议 (Protocol)： 8位，指示数据报载荷中封装的是哪个上层协议的数据（如TCP=6, UDP=17, ICMP=1）。

  • 首部校验和 (Header Checksum)： 16位，用于检测IP报头在传输过程中是否发生错误。只校验报头，不校验数据部分。每经过一个路由器都需要重新计算。

  • 源IP地址 (Source Address)： 32位（IPv4）或128位（IPv6），发送主机的IP地址。

  • 目的IP地址 (Destination Address)： 32位（IPv4）或128位（IPv6），接收主机的IP地址。

  • 选项 (Options)： 可变长（IPv4），很少使用。在IPv6中被移至扩展报头。

  • 填充 (Padding)： 确保IP报头长度是32位的整数倍。

数据载荷： 承载的上层协议数据（如TCP段、UDP数据报、ICMP消息）。

3、工作原理

3.1 路由

核心概念：

  • 路由表： 每个主机和路由器都维护一个 路由表，其中包含如何到达不同目标网络或主机的信息。

  • 路由条目： 通常包含目标网络地址、子网掩码、下一跳路由器地址（网关）或出口接口、度量值（优先级）等。

  • 路由协议： 路由器之间运行 路由协议（如RIP, OSPF, BGP）来动态交换网络可达性信息，自动更新和维护路由表。

转发过程：

  1. 主机或路由器检查目标IP地址。

  2. 查找路由表，找到最长前缀匹配的路由条目（即与目标地址网络部分匹配最长的条目）。

  3. 根据匹配的路由条目：

    • 如果下一跳是直接相连的网络，则通过ARP（IPv4）或邻居发现（IPv6）获取目标主机的物理地址（MAC地址），将数据报封装在数据链路层帧中直接发送。

    • 如果下一跳是路由器（网关），则通过ARP/邻居发现获取该网关的物理地址，将数据报封装在帧中发送给网关。

  4. 网关路由器收到后，重复上述查找路由表和转发的步骤，直到数据报到达目标网络或TTL耗尽。

3.2 分片与重组

原因： 数据链路层（如以太网）有 最大传输单元 (MTU) 限制。当IP数据报长度大于路径中某个网络的MTU时，就需要分片。

过程：

  1. 路由器（或源主机）将原始数据报分割成多个较小的 分片 (Fragments)。

  2. 每个分片都有自己的IP报头（大部分字段复制自原始报头，但总长度、标识、标志、片偏移会修改）。

  3. MF标志位：除了最后一个分片设为0，其他分片都设为1。

  4. 片偏移表示该分片数据在原始数据报数据部分中的起始位置（以8字节块为单位）。

  5. 分片独立路由到目的地。

重组： 只有目的主机负责将所有具有相同标识的分片，按照片偏移顺序重新组装成原始数据报。如果缺少任何分片，整个原始数据报会被丢弃，重组失败。

4、相关协议

  • ICMP (Internet Control Message Protocol)： 用于在IP主机和路由器之间传递控制消息（如网络可达性测试ping、目标不可达、超时traceroute、重定向等）。是IP协议的重要辅助协议。

ICMP 协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到 IP 数据无法访问目标、IP 路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送 ICMP 消息。

ping的基本过程：

①、当执行 Ping 命令，Ping 首先解析域名获取 IP 地址，然后向目标 IP 发送一个 ICMP Echo Request 消息。

②、当目标 IP 收到 ICMP Echo Request 消息后，它会生成一个 ICMP Echo Reply 消息并返回，即 Ping 响应消息。

③、发起 Ping 命令的设备接收到 ICMP Echo Reply 消息后，计算并显示从发送 Echo Request 到接收到 Echo Reply 的时间（通常称为往返时间 RTT，Round-Trip Time），以及可能的丢包情况。

Ping 通常会发送多个请求，以便提供平均响应时间和丢包率等信息，以便我们了解网络连接的质量。

  • ARP (Address Resolution Protocol)： 用于在IPv4网络中根据IP地址查询对应的物理地址（MAC地址）。

    • MAC 地址是数据链路层和物理层使用的地址，是写在网卡上的物理地址，用来定义网络设备的位置，不可变更。
    • IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。IP 地址用来区别网络上的计算机。

ARP协议的工作过程：

①、ARP 请求

当主机 A 要发送数据给主机 B 时，首先会在自己的 ARP 缓存中查找主机 B 的 MAC 地址。

如果没有找到，主机 A 会向网络中广播一个 ARP 请求数据包，请求网络中的所有主机告诉它们的 MAC 地址；这个请求包含了请求设备和目标设备的 IP 和 MAC 地址。

②、ARP 应答

网络中的所有主机都会收到这个 ARP 请求，但只有主机 B 会回复 ARP 应答，告诉主机 A 自己的 MAC 地址。并且主机 B 会将主机 A 的 IP 和 MAC 地址映射关系缓存到自己的 ARP 缓存中，以便下次通信时直接使用。

③、更新 ARP 缓存

主机 A 收到主机 B 的 ARP 应答后，也会将主机 B 的 IP 和 MAC 地址映射关系缓存到自己的 ARP 缓存中。

  • RARP (Reverse ARP)： 根据MAC地址查询IP地址（基本被DHCP取代）。

  • DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)： 为主机自动分配IP地址、子网掩码、网关、DNS服务器等配置信息。只给接入网络的设备分配 IP 地址，因此同一个 MAC 地址的设备，每次接入互联网时，得到的 IP 地址不一定是相同的，该协议使得空闲的 IP 地址可以得到充分利用。

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