ip协议详解

虚拟互联网络

互联网络遇到的问题
- 简单网络拓扑图
  
  以上，为一个简单网络拓扑图。引申出一个问题，设备A是如何把信息传输给设备C的
- 复杂大型网络拓扑
  
  以上，为一个复杂大型网络拓扑。引申出一个问题，设备A是如何把信息传输给设备B的
  - A 到 B的链路有很多条
虚拟互联网络概念
- 实际的计算机网络是错综复杂的
- 物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异
- 当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节（重点关注端到端的连接即可）
- IP协议使得复杂的网络变成一个虚拟链接的网络
- IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发
- IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题（IP协议提供了虚拟互联网的东西）

IP协议介绍

MAC地址是每个设备的唯一身份证，在数据链路层只要是拥有MAC地址就可以进行数据的传输。MAC地址是使用48位来表示的，表示的时候使用的是16进制。
在网络层也有一个地址的概念，这个地址就是IP地址，IP地址是每个设备在网络上的唯一身份证，IP地址长度总共为32位，一般表示的时候我们采用点分十进制的形式表示的。
MAC地址与 IP地址的区别
- MAC地址是唯一且不可改变的，网卡从一个计算机拆下来装到另外一台计算机MAC地址是不会变的。
- IP地址对于网络层的设备来说是可变的，只要设备的网络环境发生变化，设备的IP就会发生变化。

IP地址长度为32位，常分成4个8位
IP地址常使用点分十进制来表示（0_255.0255.0_255.0255）
- 114.114.114.114、1.1.1.1、8.8.8.8、255.255.255.255、111.111.111.111

IP 地址的运算

使用32位一共可以表示多少个IP地址呢
- 2^32 = 4294961296（42亿个）

IP数据报

Quote

在计算机物理层，传输的是 010101011 这样的比特流。
对于数据链路层，传输的是 [[帧首部][帧数据][帧尾部]] 为粒度的东西
对于数据链路层中的 [帧数据] 其实就是 IP数据报 的内容
IP数据报 会分成 [[IP首部][IP数据报的数据]]

IP数据报中 [IP首部] 的图示

以上图示，每一行加起来都是32个比特位，也就是4个字节。因此对于ip协议的头部来说，至少应该需要有20个字节的长度。
- 版本：占 4 位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6。如果通行双方版本不一致则不能进行通信。
- 首部位长度：占 4 位，最大数值为 15，表示的是IP首部长度，单位是“32位字”（4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节（15 * 4）。
- 总长度：占 16 位，最大数值为 65535，表示的是 IP 数据报总长度（IP首部 + IP数据）
  - 注意：对于数据链路层传输的最大长度称之为MTU（数据链路层的最大传输单元），且 MTU 一般为1500个字节，而在当前规格中长度最大为65535的长度，那么这个长度是比 MTU 要求的长度要高的，如果在真正传输的过程中 总长度 > MTU，那么数据链路层将会把IP协议进行分片。也就是把一个较长的数据报拆分成多个数据帧来进行传输。
- 标识：协议内部具体所使用的，无需关心
- 标志：只有2位在用，作用是标记这个IP报文是否需要分片
- 片偏移：如果IP报文的长度 > MTU，那么将进行对IP报文的分片，把一个IP报文拆分成多个数据帧，然后在数据链路中进行传输。因此，如果需要拆分的话，那么这里的13位片偏移将会用来记录当前的数据帧保存的是第几个偏移的IP数据
- TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备TTL减一(不管是路由器还是计算机)，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文。TTL解决的问题是，当IP报文在网络中找不到终点的时候，避免这个IP数据在网络中无限的进行传输与消耗带宽的。
- 协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如：TCP、UDP等）
  - 扩展：协议有很多，字段值会区分不同的协议
  协议名 ICMP IGMP IP TCP UDP OSPF ...
  
  字段值 1 2 4 6 17 89 ...
- 首部校验和：占16位，校验IP首部是否有出错。接收方在接收了IP协议的报文之后，也会进行头部的校验，如果有出错的话直接丢弃掉。这就是首部校验和的作用。
- 源IP地址：占32位，发送数据报的IP地址
- 目的IP地址：占32位，数据报要到达物理设备的IP地址