網絡層協議：IP

1、概念

2、關鍵組成部分

2.1 IP地址

2.1.1 概念

2.1.2 主要版本

2.1.3 IP地址分類

2.2 IP數據報（IP協議傳輸的基本數據單元）

3、工作原理

3.1 路由

3.2 分片與重組

4、相關協議

1、概念

目的：負責在復雜的網絡環境中將數據包從源主機路由和傳遞到目標主機。

定位：位于TCP/IP模型的網絡層（或OSI模型的第3層），在傳輸層（如TCP, UDP）之下，數據鏈路層（如以太網, Wi-Fi）之上。

概念：提供跨越不同物理網絡的邏輯尋址和路由功能，屏蔽底層網絡技術的差異（如以太網、Wi-Fi、PPP、光纖等），使上層協議（TCP, UDP, ICMP等）無需關心數據包如何穿越各種物理網絡。

特性：無連接、不可靠服務

無連接：?發送數據包前不需要預先建立連接。每個數據包（IP數據報）都是獨立尋路，路徑可能不同
不可靠：?不保證數據包一定能送達目的地，也不保證按順序送達，不保證數據完整性（不提供確認、重傳、流量控制機制）。這些可靠性保障由上層協議（如TCP）或應用程序自身負責。
盡力而為：?不提供帶寬或延遲保證（QoS需額外機制）。
安全性：?原生IP不提供加密和強認證（依賴IPsec或上層協議如TLS）。

作用：

①、尋址：每個連接到網絡的設備都有一個唯一的 IP 地址。IP 協議使用這些地址來標識數據包的源地址和目的地址，確保數據包能夠準確地傳輸到目標設備。

②、路由：IP 協議負責決定數據包在網絡傳輸中的路徑。比如說路由器使用路由表和 IP 地址信息來確定數據包的最佳傳輸路徑。

③、分片和重組：當數據包過大無法在某個網絡上傳輸時，IP 協議會將數據包分成更小的片段進行傳輸。接收端會根據頭部信息將這些片段重新組裝成完整的數據包。

2、關鍵組成部分

2.1 IP地址

2.1.1 概念

唯一標識：?每個連接到IP網絡的設備（主機、路由器）都必須有一個唯一的IP地址，用于在網絡中標識自己。

邏輯地址：?與物理地址（如MAC地址）不同，IP地址是軟件配置的，可以變化，用于在更大范圍的網絡中尋址。

2.1.2 主要版本

IPv4：32位二進制數（通常表示為點分十進制，如?192.168.1.1）。

包含?網絡部分?(標識設備所在的網絡) 和?主機部分?(標識網絡內的特定設備)。
通過?子網掩碼?來區分網絡部分和主機部分。

操作	二進制示例	結果（十進制）
IP地址	`11000000.10101000.00000001.01100100`	192.168.1.100
子網掩碼	`11111111.11111111.11111111.00000000`	255.255.255.0
網絡號（IP AND 掩碼）	`11000000.10101000.00000001.00000000`	192.168.1.0
主機號（IP AND 掩碼取反）	`00000000.00000000.00000000.01100100`	0.0.0.100

主要問題：

地址枯竭：?32位地址空間（約42.9億）已基本耗盡（通過NAT技術緩解）。
配置復雜：?經常需要DHCP或手動配置。
安全性：?設計之初未充分考慮安全性（依賴IPsec擴展）。
QoS支持有限：?依賴ToS字段，支持不夠完善。
報頭設計：?包含選項字段，處理效率較低。

NAT：網絡地址轉換協議，我們知道屬于不同局域網的主機可以使用相同的 IP 地址，從而一定程度上緩解了 IP 資源枯竭的問題，然而主機在局域網中使用的 IP 地址是不能在公網中使用的，當局域網主機想要與公網主機進行通信時，NAT 方法可以將該主機 IP 地址轉換為全球 IP 地址。該協議能夠有效解決 IP 地址不足的問題。

IPv6：?解決IPv4地址枯竭問題，使用128位地址（通常表示為8組4位十六進制數，如?2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334），地址空間極其巨大，并簡化了報頭設計，增強了安全性和移動性。

關鍵改進：

巨大的地址空間：?128位地址（約3.4×103?個地址），徹底解決地址枯竭問題，支持端到端通信（減少NAT依賴）。
簡化的報頭：?固定40字節基本報頭，格式更簡單高效，路由器處理更快。選項功能通過擴展報頭實現。
更好的QoS支持：?流標簽字段便于識別和處理特定數據流。
內建安全：?IPsec支持成為協議標準組成部分（非強制）。
改進的擴展性：?擴展報頭機制更靈活。
自動配置：?SLAAC（無狀態地址自動配置）簡化了主機配置。
更好的移動性支持：?移動IPv6設計更優。

2.1.3 IP地址分類

IP 地址 = {<網絡號>，<主機號>}。

網絡號：它標志主機所連接的網絡地址表示屬于互聯網的哪一個網絡。
主機號：它標志主機地址表示其屬于該網絡中的哪一臺主機。

IP 地址分為 A，B，C，D，E 五大類：

A 類地址 (1~126)：以 0 開頭，網絡號占前 8 位，主機號占后面 24 位。
B 類地址 (128~191)：以 10 開頭，網絡號占前 16 位，主機號占后面 16 位。
C 類地址 (192~223)：以 110 開頭，網絡號占前 24 位，主機號占后面 8 位。
D 類地址 (224~239)：以 1110 開頭，保留為多播地址。
E 類地址 (240~255)：以 1111 開頭，保留位為將來使用

2.2 IP數據報（IP協議傳輸的基本數據單元）

結構：?由?報頭?和?數據載荷?組成。

報頭關鍵字段：

版本 (Version)：?4位，標識IP版本（4或6）。
首部長度 (IHL)：?4位，指示IP報頭長度（以32位字為單位）。
服務類型 (ToS / DSCP/ECN)：?8位，用于QoS（服務質量），指示數據包的優先級或服務要求（如延遲、吞吐量、可靠性）。
總長度 (Total Length)：?16位，整個IP數據報（報頭+數據）的長度（字節）。
標識 (Identification)：?16位，用于唯一標識一個數據報或其分片。同一個數據報的所有分片共享相同的標識。
標志 (Flags)：?3位：
- Reserved：保留位。
- DF (Don't Fragment)：為1時表示禁止路由器對此數據報分片。如果數據報太大無法通過下一跳網絡，路由器會丟棄它并發送ICMP錯誤消息。
- MF (More Fragments)：為1時表示這不是最后一個分片（后面還有分片）；為0時表示這是最后一個分片或是未分片的數據報。
片偏移 (Fragment Offset)：?13位，指示該分片在原數據報數據部分中的相對位置（以8字節為單位）。用于接收方重組分片。
生存時間 (TTL - Time To Live)：?8位，數據報在網絡中允許經過的最大路由器跳數。每經過一個路由器，該值減1。當TTL減到0時，數據報被丟棄，并發送ICMP超時消息。主要作用是防止數據報在網絡中無限循環。
協議 (Protocol)：?8位，指示數據報載荷中封裝的是哪個上層協議的數據（如TCP=6, UDP=17, ICMP=1）。
首部校驗和 (Header Checksum)：?16位，用于檢測IP報頭在傳輸過程中是否發生錯誤。只校驗報頭，不校驗數據部分。每經過一個路由器都需要重新計算。
源IP地址 (Source Address)：?32位（IPv4）或128位（IPv6），發送主機的IP地址。
目的IP地址 (Destination Address)：?32位（IPv4）或128位（IPv6），接收主機的IP地址。
選項 (Options)：?可變長（IPv4），很少使用。在IPv6中被移至擴展報頭。
填充 (Padding)：?確保IP報頭長度是32位的整數倍。

數據載荷：?承載的上層協議數據（如TCP段、UDP數據報、ICMP消息）。

3、工作原理

3.1 路由

核心概念：

路由表：?每個主機和路由器都維護一個?路由表，其中包含如何到達不同目標網絡或主機的信息。
路由條目：?通常包含目標網絡地址、子網掩碼、下一跳路由器地址（網關）或出口接口、度量值（優先級）等。
路由協議：?路由器之間運行?路由協議（如RIP, OSPF, BGP）來動態交換網絡可達性信息，自動更新和維護路由表。

轉發過程：

主機或路由器檢查目標IP地址。

查找路由表，找到最長前綴匹配的路由條目（即與目標地址網絡部分匹配最長的條目）。

根據匹配的路由條目：

如果下一跳是直接相連的網絡，則通過ARP（IPv4）或鄰居發現（IPv6）獲取目標主機的物理地址（MAC地址），將數據報封裝在數據鏈路層幀中直接發送。

如果下一跳是路由器（網關），則通過ARP/鄰居發現獲取該網關的物理地址，將數據報封裝在幀中發送給網關。

網關路由器收到后，重復上述查找路由表和轉發的步驟，直到數據報到達目標網絡或TTL耗盡。

3.2 分片與重組

原因：?數據鏈路層（如以太網）有?最大傳輸單元 (MTU)?限制。當IP數據報長度大于路徑中某個網絡的MTU時，就需要分片。

過程：

路由器（或源主機）將原始數據報分割成多個較小的?分片 (Fragments)。

每個分片都有自己的IP報頭（大部分字段復制自原始報頭，但總長度、標識、標志、片偏移會修改）。

MF標志位：除了最后一個分片設為0，其他分片都設為1。

片偏移表示該分片數據在原始數據報數據部分中的起始位置（以8字節塊為單位）。

分片獨立路由到目的地。

重組：?只有目的主機負責將所有具有相同標識的分片，按照片偏移順序重新組裝成原始數據報。如果缺少任何分片，整個原始數據報會被丟棄，重組失敗。

4、相關協議

ICMP (Internet Control Message Protocol)：?用于在IP主機和路由器之間傳遞控制消息（如網絡可達性測試ping、目標不可達、超時traceroute、重定向等）。是IP協議的重要輔助協議。

ICMP 協議是一種面向無連接的協議，用于傳輸出錯報告控制信息。它屬于網絡層協議，主要用于在主機與路由器之間傳遞控制信息，包括報告錯誤、交換受限控制和狀態信息等。當遇到 IP 數據無法訪問目標、IP 路由器無法按當前的傳輸速率轉發數據包等情況時，會自動發送 ICMP 消息。

ping的基本過程：

①、當執行 Ping 命令，Ping 首先解析域名獲取 IP 地址，然后向目標 IP 發送一個 ICMP Echo Request 消息。

②、當目標 IP 收到 ICMP Echo Request 消息后，它會生成一個 ICMP Echo Reply 消息并返回，即 Ping 響應消息。

③、發起 Ping 命令的設備接收到 ICMP Echo Reply 消息后，計算并顯示從發送 Echo Request 到接收到 Echo Reply 的時間（通常稱為往返時間 RTT，Round-Trip Time），以及可能的丟包情況。

Ping 通常會發送多個請求，以便提供平均響應時間和丟包率等信息，以便我們了解網絡連接的質量。

ARP (Address Resolution Protocol)：?用于在IPv4網絡中根據IP地址查詢對應的物理地址（MAC地址）。
- MAC 地址是數據鏈路層和物理層使用的地址，是寫在網卡上的物理地址，用來定義網絡設備的位置，不可變更。
- IP 地址是網絡層和以上各層使用的地址，是一種邏輯地址。IP 地址用來區別網絡上的計算機。

ARP協議的工作過程：

①、ARP 請求

當主機 A 要發送數據給主機 B 時，首先會在自己的 ARP 緩存中查找主機 B 的 MAC 地址。

如果沒有找到，主機 A 會向網絡中廣播一個 ARP 請求數據包，請求網絡中的所有主機告訴它們的 MAC 地址；這個請求包含了請求設備和目標設備的 IP 和 MAC 地址。

②、ARP 應答

網絡中的所有主機都會收到這個 ARP 請求，但只有主機 B 會回復 ARP 應答，告訴主機 A 自己的 MAC 地址。并且主機 B 會將主機 A 的 IP 和 MAC 地址映射關系緩存到自己的 ARP 緩存中，以便下次通信時直接使用。

③、更新 ARP 緩存

主機 A 收到主機 B 的 ARP 應答后，也會將主機 B 的 IP 和 MAC 地址映射關系緩存到自己的 ARP 緩存中。

RARP (Reverse ARP)：?根據MAC地址查詢IP地址（基本被DHCP取代）。
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)：?為主機自動分配IP地址、子網掩碼、網關、DNS服務器等配置信息。只給接入網絡的設備分配 IP 地址，因此同一個 MAC 地址的設備，每次接入互聯網時，得到的 IP 地址不一定是相同的，該協議使得空閑的 IP 地址可以得到充分利用。