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引言：
在上篇文章网络原理之TCP/IP协议中，我们一起学习了TCP的相关知识，现在让我们再一起来共同学习有关IP协议的知识吧😊😊
网络层
IP协议
IP协议处于网络层，主要完成两方面的工作：
- 地址管理
- 路由选择
IP协议头格式
8位生存时间（Time To Live，TTL）： 表示一个IP数据报，在网络上还能存在多久，这里的单位不是s或者ms，而是转发次数。IP数据报被发送的时候会有一个初始的TTL (比如常见的取值128或者64)
IP数据报每次经过了一个路由器，TTL就会- 1，如果TTL减到0了，此时收到这个包的路由器就会把这个包给丢弃。
主要是因为有些包里面的IP地址，可能是永远也到不了的，像这样的包，不可能让它在网络上无休止的转发(占用硬件资源太多了)，正常的IP数据报都会在既定的TTL内来到达。
8位协议： 表示我们当前传输层使用的是哪种协议，TCP或者UDP都有不同的取值
16位头部校验和： 使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。——也就是用来校验数据是否正确
32位源地址和32位目标地址： 源IP表示发件人地址，目的IP表示收件人地址；对于IPv4来说，一个IP地址本质上是32 位的整数，通常用 “点分十进制” 这样的方式来表示这个IP地址，三个点把32位整数分成4个部分（172.17.77.38），每个部分1个字节，每个部分的取值就是0 ~ 255，而给人看的通常就是点分十进制，给机器存储的IP，在底层仍然是按照4个字节整数来表示的。
地址管理
IP地址可以分成两个部分：网络号和主机号
- 网络号：描述当前的网段信息（局域网的标识）
- 主机号：区分了局域网内部的主机
要求同一个局域网里，主机之间的网络号是相同的，主机号不能相同；两个相邻的局域网（同一个路由器连接的），网络号也是不同的。
图解如下：
那么到底前多少个bit位是网络号呢?这是如何规定的?是固定3个字节嘛?
其实不是固定的??这就要引入一个“子网掩码”这样的概念了，用它来表示多少个bit位是网络号
特殊的IP地址
- 如果IP的主机号全为0，该IP就表示网络号(局域网里的一个正常设备，主机号不能设为0)；
- 如果IP的主机号全为1，该IP就表示"广播地址"，往往广播地址上发的消息，整个局域网中都能找到；
- IP地址是127开头的，该IP都表示"环回IP"，表示自己主机；
- IP地址是10开头，192.168开头或172.16 - 172.31开头的，表示该IP地址是一个局域网内部的IP(内网IP)；剩下的都是外网IP(直接在广域网上使用的IP)。
要求外网IP一定是唯一的，每个外网IP都会对应到唯一的一个设备，内网IP只是在当前局域网中是唯一的，不同的局域网里，可以有相同的内网IP的设备。
如何解决IP地址不够用的问题
按理说咱们预期的IP地址应该就表示一个网络上的唯一位置，结果这咋不同的局域网里，可以有相同的内网IP的设备，也就是说同一个IP咋就可以表示不同的设备了呢???
那是因为由于当前IPv4协议，使用的IP地址是32位的整数，而32位能表示的数据范围差不多为42亿9千万；如果给每个设备都分配一个唯一的IP地址，意味着世界上的设备就不能超过42亿9千万；但是
随着网络的发展，现在世界上的设备越来越多，已经超过了42亿9千万，因此让每个设备都有唯一的 IP地址已经不现实了。
那么该如何解决这个问题呢???????
动态分配IP地址
让每一个设备连上网的时候，才有IP，不连网就没有IP，让这个IP给别人用的人用。
但是这个方案不能从根本上解决问题(设备没有减少，IP也没有增加)🤔🤔
NAT机制
让多个设备共用同一个IP(外网IP)——就像我们在学校网购，学校这么多人填的收货地址都是学校的地址
把网络分成了内网(局域网)和外网(广域网)，要求外网IP必须表示唯一的设备，同时内网中的若干设备，可以共用一个外网IP(就是内网IP可以重复出现，只有在当前局域网内才是唯一的)
NAT机制，把IP分成了内网和外网，也隐含了一个重要的结论：
- 对于一个外网IP，可以在互联网的任意位置都能访问到
- 对于一个内网IP，只能在当前局域网内部访问局域网1的设备，不能使用内网IP访问局域网2的设备
NAT也是存在极限的（端口号的个数65535），如果一个局域网里的连接超过了65535，这个时候NAT就不一定能好使了，端口号就不够用了。所以NAT也没有从根本上解决问题，只是续命了一波，那么这也就引出了IPv6
IPv6
IPv6在报头中使用了一个更长字段来表示IP地址，IPv4是4个字节—32位，而IPv6是16个字节，128位
每个数字都是一个十六进制的数字(4bit)，每个冒号分割了两个字节。
那么既然IPv6这么香，为啥现在还是在用IPv4 + NAT呢??
这里最大的问题在于，IPv6和IPv4是不兼容的??对于一个设备来说支持IPv4和IPv6需要两个截然不同的机制，现有的大量的网络设备(路由器…很可能都是只支持IPv4，不支持IPv6）
路由选择
也就是规划路径，两个设备之间要找出一条通道能够完成传输的过程，要想找出通道，前提是得先认识路。
IP协议的路由选择也是类似的，IP数据报中的目的地址，就表示了这个包要发到哪里去，如果当前路由器直接认识就直接告诉你路了；如果当前路由器不认识就会告诉你一个大概的方向，让你走到下
一个路由器的时候再来问问，依次往后走,其实也是在离目标越来越近。这个时候就总会遇到一个认识这个地址的路由器，于是就可以具体的转发过去了；有的时候，不光遇到了一个认识这个地址的路由器，并且他还认识多个路，那么就可以选一个更合适的路 了。
那么什么叫路由器"认识"这个IP地址呢?
在路由器内部维护了一个数据结构——路由表，路由表里面就记录了一些网段信息 (网络号) ， (目的IP就在这些网络号中匹配)以及每个网络号对应的网络接口(网络接口其实就对应到路由器里面具体的端口)
数据链路层
已经有IP地址了为啥还要物理地址??
这是由于当年网络层协议和数据链路层协议，是各自独立研发出来的，导致mac地址和IP地址就有点重复了。 按理来说，一套地址就够了，现在的现状，就是当前mac地址和IP地址同时使用，表示不同的功能：
- IP用来表示一次传输过程中的起点和终点(不考虑NAT的情况，一个IP数据报中的源IP和目的IP是固定的)
- mac用来表示传输过程中，任意两个相邻节点之间的地址 (一个以太网数据帧，在每次转发过程中，源mac和目的mac都会改变)
MTU
就是一个以太网数据帧能够承载的数据范围，这个范围取决于硬件设备。
以太网和硬件也是密切相关的，其他硬件设备，对应的数据链路层协议，可能就又不一样了，那么MTU也不相同了。
数据链路层考虑的是相邻节点之间的数据传输，考虑这个细节的时候要关注交通工具是啥，那么如果数据报超过了MTU咋办??
IP层不是可以分包嘛，而IP层的分包，其实不是给IP的报头64k准备，更多的是为了适应数据链路层的MTU。
MTU对IP协议的影响
由于数据链路层MTU的限制，对于较大的IP数据包要进行分包。
- 将较大的IP包分成多个小包，并给每个小包打上标签；
- 每个小包IP协议头的 16位标识（id） 都是相同的；
- 每个小包的IP协议头的3位标志字段中，第2位置为0，表示允许分片，第3位来表示结束标记（当前是否是最后一个小包，是的话置为1，否则置为0）；
- 到达对端时再将这些小包，会按顺序重组，拼装到一起返回给传输层；
- 一旦这些小包中任意一个小包丢失，接收端的重组就会失败。但是IP层不会负责重新传输数
据；
MTU对UDP协议的影响
- 一旦UDP携带的数据超过1472（1500 - 20（IP首部） - 8（UDP首部）），那么就会在网络层分成多个IP数据报。
- 这多个IP数据报有任意一个丢失，都会引起接收端网络层重组失败。那么这就意味着，如果
UDP数据报在网络层被分片，整个数据被丢失的概率就大大增加了。
MTU对于TCP协议的影响
- TCP的一个数据报也不能无限大，还是受制于MTU。TCP的单个数据报的最大消息长度，称为MSS—TCP中在IP不分包的前提下，最多搭载多少载荷（Max Segment Size）；
- TCP在建立连接的过程中，通信双方会进行MSS协商。
- 最理想的情况下，MSS的值正好是在IP不会被分片处理的最大长度（这个长度仍然是受制于数据链路层的MTU）。
- 双方在发送SYN的时候会在TCP头部写入自己能支持的MSS值。
- 然后双方得知对方的MSS值之后，选择较小的作为最终MSS。
- MSS的值就是在TCP首部的40字节变长选项中（kind=2）；
ARP协议
ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；
ARP协议的作用
ARP报文并不是用来传输数据的，只是起到一个辅助的效果
路由器这样的设备在转发数据的时候首先拿到的是一个IP地址(目的IP) ，通过IP地址来决定接下来这个数据咋走(从哪个端口出去，发到哪个设备上)，因此就得决定，接下来封装的以太网数据帧，目的mac是啥，需要根据ARP协议建立起IP -> mac这样的映射关系。这类似于hash表这样的键值对结构，但是这个表不一定是在内存里, 也可能是直接在硬件中存储。
当设备启动的时候就会向局域网中，广播ARP报文，每个设备收到之后，都会给出一个应答，应答的信息中就包含了自己的IP和mac发起广播的那一方， 就可以根据这些回应，建立起这个映射表了。
DNS协议（补充）
DNS，即Domain Name System，域名系统，是一个应用层协议。
由于IP地址不好记，即使写成了点分十进制，但是仍然对于人类来说不太友好，所以就可以使用一串英文单词来表示这个IP地址。这串英文单词，就称为域名。
