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本文于《JavaEE》专栏，本专栏是针对于大学生，编程小白精心打造的。笔者用重金(时间和精力)打造，将基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。

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内容分享：本期将会分享网络编程中的IP协议

目录

IP协议的概念

协议头格式

网段划分

特殊IP

地址管理

动态分配IP地址

IPv6

NAT技术

路由选择

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IP协议的概念

想我们前面说到的UDP和TCP协议都是作用在运输层的,而我们的IP协议则是作用来网络层的.而IP协议最主要的工作就是两方面: 1. 地址管理,使用一套地址管理,来描述互联网上每个设备所在的位置. 2. 路由选择, 也就是规划通信中的路线. 如果从互联网中某个地址到另一个地址.  

主机: 这里主机一般是配有一个IP地址,但是它不能进行路由控制. 

路由器: 配有IP地址,还可以进行路由控制.

节点: 主机和路由器的统称.

协议头格式

4位版本: 这里主流的版本就是IPv4(当前主流的版本)和IPv6.

4位首部长度: 这里单位是4字节.IP头部长度最长为 16 * 4 个字节.

8位服务类型: 这里实际上只有4位有效,且这4位彼此间是冲突的.(最小延时,最大吞吐量,最高可靠性,最小成本).

16位总长度(单位字节数): 描述了一个IP数据报的长度.(包含报头 + 载荷) 这里如果传输的TCP数据报超过64k它就会进行拆包传输,变成多个IP数据报.

16位标识: 唯一标识主机发送的报文. 如果IP报文在数据链路层被切片了.那这里的每一片里面的标识都是相同的.

3位标志: 这里只有后两位有效.第二位表示是否拆包了. 第三位表示结束标识,如果分片了,就会将最后一片为1,其他为0来表示结束.

13位片偏移: 这里是分片相当于原始IP报文开始处的偏移量. 描述了这些包之间的先后顺序.

 8位生存时间: 这里表示每经过一个路由器转发,它就会-1,但这个数值减到0了,就会进行丢包.这是为了防止这个数据包在网络上无限的转发下去.

8位协议: 表示在传输层使用的是哪一种协议.

16位首部校验和: 只针对IP的首部校验,载荷部分TCP/UDP都有自带的校验和.

32位源IP和32位目的IP地址: 表示发送端主机和接收端主机

网段划分

我们的IP地址一般都分为两部分: 网络号和主机号. 网络号就是用来保证相互连接的两个网段具有不同的标识. 主机号就是同一网段内,主机之间具有相同的网络号,但主机号是不同的. 不同的子网就是将网络号相同的主机放在一起.一般来说,我们家用宽带中默认就是前三个字节就是网络号,主机号的范围就表示了局域网中可以有多少个设备.

在一个局域网中,网络号和主机号都相同的话,这个时候就无法上网.

如果局域网中的设备,网络号和路由器的网络号不相同,也是不能上网的(因为这个主机不能通过路由器访问到外网,也不能访问局域网中的其他设备)

两个相邻的局域网,网络号不能相同(一个路由器连接的两个网络,就是相邻的)

我们通过合理设置主机号和网络号,就可以保证在相互连接的网络中,每台主机的IP地址都不同了. 这里有一种技术jiaozuoDHCP,可以自动给子网内新增主机节点分配IP地址,可以避免手动管理IP的不变.

特殊IP

这里还会有一些特殊的IP.

127.0.0.1: 环回IP,表示本机,一般是在测试中使用,这里127*都是环回IP.

如果将IP地址中的主机地址全部设置成0,就成为了网络号,代表这个局域网.

将IP地址中的主机地址全部设置成1, 就成为了广播地址,用来给同一个链路中相互连接的主机发送数据包.(往广播地址上发消息,局域网中的所有设备都可以收到(连接的同一个WiFi)).

地址管理

IP地址本质上就是一个32位的整数.为了方便,使用点分十进制的方式来区分,每一部分的范围都是0 - 255.IP地址的存在就是为了可以区分网络上的不同的设备.希望每个设备都有唯一的IP地址. 但是随着互联网的发展,32位的这个整数开始捉襟见肘了.为了解决IP地址不够用的情况,就需要相出解决方法.主要就是有三种.

动态分配IP地址

这里主要的做法就是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,每一次接入互联网,得到的IP地址就可能不同.但是这种做法只是简单的缓解了当前的情况,治标不治本.

IPv6

IPv6和IPv4有这本质的区别,并不是它的简单升级版,这是两个互不相关的两个协议,并不兼容. IPv6用16个字节128位来表示一个IP地址.这就相当于就算是地球上的每一粒沙子都可以分配到一个IP地址.但是IPv6的普及度并不高,最高的还是我们中国,普及度有70%.

NAT技术

这里会先将IP地址分为两个大类:

1. 私网IP/局域网IP

IP地址是10.*, 172.16 - 172.31*, 192.168* 这三类都是私网IP.

2. 公网IP

除了上面这些,其他的IP都是公网IP了.

这里要求公网上的设备对应的公网的IP,都是唯一的. 但是私网上的设备的IP只要保证局域网内部的IP不重复即可.不同的局域网的IP是允许重复的. 

由于上面这种规定,就有一些限制:

1. 公网设备访问公网设备,没有任何问题,可以直接访问.

2. 局域网设备访问局域网设备(同一个局域网),也没问题.

3. 但是局域设备访问局域设备(不同的局域网),就不允许访问了.

4. 公网设备不允许主动访问局域网设备.

5. 局域网设备访问公网设备,就需要对局域网设备的IP进行地址转换.

一般来说,带有公网IP的路由器都是运营商的路由器. 它一般就连着几个局域网的路由器. 这里注意: 一般一个路由器都会有两个IP地址. LANIP, 是一个局域网IP. WANIP,可能是局域网IP,也可能是公网IP, 而路由器的核心就是将这两个网连起来.

而这里NAT技术起到的作用就是: 局域网设备在进行数据传输到路由器后,路由器就会将源IP改成自己的IP,一直替换到这个数据报源IP变成了公网IP,就不会进行替换了. 经过这种替换,本质上就是让一个公网IP可以对应多个设备.

而这里就会有一个问题了: 那这个数据的响应怎么返回,源IP都替换掉了. 这里在路由器内部会将这次通信的相关信息记录下来,记录这次通信过程中的 替换前的源IP 替换后的源IP 目的IP. 返回时就将源IP和目的IP反过来. 这里如果是同一个局域网多个设备访问同一个服务器, 那它这里就会多出一个源端口和目的端口来区分. 如果恰好这里端口也相同,它就会对端口号也使用映射,再变成不同的端口号就行了.

路由选择

路由选择就是在网络结构中规划出一条路线. 这里因为网络结构太复杂了,每个路由器都无法掌握全局的信息,只能掌握一部分局部信息,就属于(走一步看一步).

路由器转发数据包就和我们生活中通过问路来找地方一样.数据报中包含了目的IP,就是问路的目标. 每个路由器对于网络环境(附近的设备情况)有一定的了解.此时就可以根据路由器的了解来进行下一步. 这里的了解,路由器内部有一个路由表来存储. 里面存储了目的IP的网段,对应的网络接口(从路由器哪个口出). 如果目的IP中路由表有就直接转发即可. 当目的地址路由表中没有相关信息,就会交个下一跳(一般就是它的上层路由器).