[网络协议]Ip协议与Ip地址

Internet是今天使用最广泛的网络。因特网中的主要协议是TCP和IP，所以Internet协议也叫TCP/IP协议簇。这些协议可划分为4个层次(进程/应用层、主机-主机层、网络互连层、网络访问层)。
与OSI/RM分层的原则不同，TCP/IP协议簇允许同层的协议实体间互相调用，从而完成复杂的控制功能，还允许上层过程直接调用不相邻的下层过程，甚至在有些高层协议中控制信息和数据分别传输，而不是共享同一个协议数据单元。

IP协议数据单元操作

• 版本：长度为4位，标识数据报的IP版本号，值为二进制0100，则表示IPv4.
• 头部长度(Internet Header Length，IHL)：长度为4位。该字段表示数的单位是32位，即4字节。常用的值是5，也是可取的最小值，表示报头为20字节；可取的最大值是15，表示报头为60字节。
• 区分服务(Type of Service，ToS)：长度为8位，指定特殊数据处理方式。该字段分为两部分：优先权和ToS。后来该字段被IETF改名为区分服务(Differentiated Services，DS)。该字段的前6位构成了区分代码点(DiffServ Code Point，DSCP)和显式拥塞通知(Explicit Congestion Notification，ECN)字段，DSCP用于定义64个不同服务类别，而ECN用于通知拥塞。
• 总长度(Total Length)：该字段长度为16位，单位是字节，指的是首部加上数据之和的长度，最大长度为65535个字节。由于MTU限制，所以超过1500字节的IP数据报就要分段，而总长度是所有分片报文的长度和。
• 标识符(Identifier)：该字段长度为3位，第1为不使用；第2位是不分段(DF)位：值为1时表示不能分片，为0表示允许分片；第3位是更多分片(MF)位：值为1表示之后还有分片，为0表示最后一个分片。
• 分片偏移字段(Fragment Offset)：该字段长度为13位，单位为8字节，即每个分片长度是8字节的整数倍。该字段是标识所分片的分组，分片之后在原始数据中的相对位置。
• 生存时间(Time to Live，TTL)：该字段长度为8位，用来设置数据报最多可以经过的路由器数，由发送数据的源主机设置，通常为16、32、64、128个。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。
• 协议字段(Protocol)：该字段长度为8位，指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP(1)、IGMP(2)、TCP(6)、UDP(17)等。
• 头部校验(Header Checksum)：该字段长度为16位，是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法没有采用复杂的CRC编码，而是对头部中每个16比特进行二进制反码求和(与ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP报头不对IP报头后面的数据进行校验)。
• 源地址、目标地址字段(Source and Destination Address)：该字段长度均为32位，用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址，都是IP地址。
• 可选字段(Options)：该字段长度可变，从1字节到40字节不等，同来定义一些任选项，如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，并且不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32位的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。

IP协议的主要操作

1. 数据报生存期
2. 分段和重装配
3. 差错控制和流控

IPv4地址

IP网络地址采用 **“网络*主机”**的形式，其中网络部分是网络的地址编码，主机部分是网络中一个主机的地址编码。
IP地址使用32位的二进制来表示，也就是4个字节。但二进制表示比较难以操作与记忆，更多的是采用 点分十进制表示法。

IP地址分类

IP地址分为5类。A、B、C类地址是常用地址。
IP地址的编码规定全0表示本地地址，即本地网络或本地主机；全1表示广播地址，任何网络都能接收。所以每一个网络建立以后需要除去两个地址(主机地址为全0或全1的地址)。

1. A类地址
   IP地址写成二进制形式时，A类地址的第一位总是0。A类地址的第1字节为网络地址，其他3个字节为主机地址。

• 私有地址：范围为10.0.0.0~10.255.255.255，网络号为10；
• 保留地址：127.X.X.X是保留地址。127.X.X.X用做环回地址，环回地址向自己发送流量。发送到该地址的数据不会离开设备到网络中，而是直接回送到本主机。该地址既可以作为目标地址，又可以作为源地址，是一个虚IP地址。

2. B类地址
   IP地址写成二进制形式时，B类地址的前两位总是10。B类地址的前两个字节为网络地址，后两个字节为主机地址。

• 私有地址：范围为172.16.0.0~175.31.255.255；
• 保留地址：169.254.X.X是保留地址。如果PC机上的IP地址设置自动获取，而PC机又没有又没有找到相应的DHCP服务，那么最后PC机可能得到保留地址中的一个IP。

3. C类地址
   IP地址写成二进制形式时，C类地址的前三位固定为110。C类地址前三个字节为网络地址，第4个字节为主机地址。

• 私有地址：范围为192.168.0.0~192.168.255.255；

4. D类地址
   IP地址写成二进制形式时，D类地址的前四位固定为1110。D类地址不分网络地址和主机地址，该类地址用做组播。
5. E类地址
   IP地址写成二进制形式时，E类地址的前四位固定为11110。E类地址不分网络地址和主机地址。

几类特殊的IP地址

网络规划

子网掩码

子网掩码用于区分网络地址、主机地址、广播地址。子网掩码的形式是网络号部分全1，主机号部分全0。掩码也能像IPv4一样使用点分十进制表示法书写。掩码还能使用“从左到右连续1的总数”形式表示，这种描述方法叫做建网比特数。

1. 主机数=可用主机数+2
2. A类地址的默认掩码是255.0.0.0；B类地址的默认掩码是255.255.0.0；C类地址的默认掩码是255.255.255.0；

地址结构

早期IP地址结构为两级地址：
$$IP地址=<网络号>,<主机号>$$
RFC950文档发布后增加一个子网号字段，变成三级网络地址结构：
$$IP地址=<网络号>,<子网号>,<主机号>$$

VLSM和CIDR

1. 可变长子网掩码(Variable Length Subnet Masking，VLSM)
   VLSM指对部分子网进行再次划分，允许一个组织在同一个网络地址空间中使用多个不同的子网掩码。VLSM使寻址效率更高，IP地址利用率也更高。该技术可以理解为把大网分解成小网。
2. 无类别域间路由(Classless Inter-Domain Routing，CIDR)
   在CIDR中，路由器使用前缀来描述有多个位是网络位。剩下的位则是主机位。CIDR显著提高了IPv4的可扩展性和效率，通过使用路由聚合(或称超网)可有效地减小路由表的大小，节省路由器的内存空间，提高路由器的查找效率。该技术可以理解为把小网合并成大网。

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