三、TCP/IP模型-网络层
1、IPV4报头
(1)IPV4报文格式
IP Packet(IP数据包)，其包头主要内容如下∶
Version版本∶4 bit，4∶表示为IPv4; 6∶表示为IPv6。
Header Length首部长度∶4 bit，代表IP报头的长度(首部长度)，如果不带Option字段，则为20，最长为60。
DS Field:定义优先级
DSCP:区分服务 后期结合QOS使用的 [不在QOS场景下 字段无意义]
Type of Service∶8 bit，服务类型。优先级，越高越先处理。只有在有QoS差分服务要求时，这个字段才起作用。
Total Length∶16 bit，总长度，整个IP数据包的长度(IP报头+上层数据 [总长度-IP报头长度=上层数据] )。
Identification∶ 16 bit，标识，分片重组时会用到该字段。
Flags∶ 3 bit，标志位。
Fragment Offset∶12 bit，片偏移，分片重组时会用到该字段。
TTL(Time to Live)∶8 bit，生存时间。
Protocol∶8 bit，协议∶下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个进程处理。
常见值∶
1: ICMP, Internet Control Message; 2: IGMP, Internet Group Management;
6: TCP, Transmission Control Protocol; 17: UDP, User Datagram Protocol。
Header Checksum∶16 bit，首部检验和。
Source IP Address∶32 bit，源IP地址。
Destination IP Address∶32 bit，目的IP地址。
Options∶可变，选项字段。
Padding∶可变，填充字段，全填0。
(2)数据包分片
当数据包比链路MTU大时，将报文分割成多个片段的过程叫做分片。
网络中转发的IP报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文就需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。
Identification∶16 bit，发送主机赋予的标识，分片重组时会用到该字段。
Flags∶3 bit，标志位(标识)
DF：Dont’t fragment：不分片位[应用开发，本身制定了]
DF=0 代表该数据可以进行分片。保留段位∶0，保留。
DF=1 代表该数据不可以分片，数据大于MTU 单DF=1，则无法分片，数据丢弃。
不分段位∶1表示"不能分片"; 0表示"能分片"。
MF:更多分片
MF=1，表示"后面还有分片";
MF=0，表示"代表后方没有分片了，接受者可以重组"
Fragment Offset∶12 bit，片偏移，分片重组时会用到该字段。指出较长的分组在分片后，
该片在原分组中的相对位置，与更多段位组合，帮助接收方组合分段的报文。
>分片后，子分片会保留和原始分片相同的IP报头。
>分片后，除原始分片之外，其他的子分片都不会携带上层的协议报头[icmp-传输层][一般指最后一个]
(3)协议号(Protocol)
IP报文头中的协议号字段标识了将会继续处理该报文的协议。即指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上报给哪个进程处理。
目的端的网络层在接收并处理报文以后，需要决定下一步对报文如何处理。IP报文头中的协议字段标识了将会继续处理报文的协议。
该字段可以标识网络层协议，也可以标识上层协议，
- ICMP(Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议，对应值0x01)1=ICMP
- TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议，对应值0x06) 6=TCP
- UDP(User Datagram Protocol，用户数据包协议，对应值0x11) 17=UDP
- OSPF (Open Shortest Path First,开放式最短路径优先，对应值) 89=OSPF
(4)生存时间(Time to Live , TTL)
TTL字段设置了数据包可以经过的路由器数目(三层设备)[自带防环手断]。
防止IP数据包在网络内无休止的传输，一旦经过一个路由器(三层设备)，TTL值就会减1，当该字段值为0时，数据包将被丢弃。
防环：规定特定数值255、128、64[不同的厂商不一样] 当TTL减为1后，数据会丢弃，并且向源端发送一个TTL超时。
破环：无法消除环路 -->结合 工程师在配置时合理化的配置
利用TTL特性，可以实现路由跟踪技术，排错的重要方法之一!
Ping -i 或 Tracert:
Time to Live∶8 bit，生存时间。可经过的最多路由数，即数据包在网络中可通过的路由器数的最大值。
报文在网段间转发时，如果网络设备上的路由规划不合理，就可能会出现环路，导致报文在网络中无限循环，无法到达目的端。环路发生后，所有发往这个目的地的报文都会被循环转发，随着这种报文逐渐增多，网络将会发生拥塞。
为避免环路导致的网络拥塞，IP报文头中包含一个生存时间TTL(Time To Live)字段。报文每经过一台三层设备，TTL值减1。初始TTL值由源端设备设置。当报文中的TTL 降为0时，报文会被丢弃。同时，丢弃报文的设备会根据报文头中的源IP地址向源端发送ICMP错误消息。(注意∶网络设备也可被配置为不向源端发送ICMP错误消息。)
Head checksum：头部校验和 [E2=FCS] [类似]
FCS:所有 Check-sum:校验IP报头的头部
2、IP地址
(1)IP地址介绍
IP地址在网络中用于标识一个节点(或者网络设备的接口)用于IP报文在网络中的寻址。
IP地址:全局定位的作用 [工作在每一个需要网络层的设备上]
MAC地址:工作在链路上[工作在数据链路层环境下，实现在一个链路中定位某一个设备]
IP地址的作用：是唯一标识网络中的一个节点，可以通过IP地址进行不同网段的数据访问。
在IP网络上，如果用户要将一台计算机连接到Internet上，就需要申请一个IP地址。IP地址就像现实中的地址，可以标识网络中的一个节点，数据就是通过它来找到目的地的。即我们通过IP地址实现全球范围内的网络通信。
IP地址是网络设备接口的属性，不是网络设备本身的属性。当我们说给某台设备分配一个IP地址时，实质上是指给这台设备的某个接口分配一个IP地址。如果设备有多个接口，通常每个接口都至少需要一个IP地址。
注∶需要使用IP地址的接口，通常是路由器和计算机的接口。
(2)IP地址表示
一个IPv4地址有32位二进制组成。IPv4地址通常采用"点分十进制"表示。
点分十进制表示法：IP地址表现形式能够帮助我们更好的使用和配置网络，但通信设备在对IP地址进行计算时使用的是二进制的操作方式，因此掌握十进制、二进制的转换运算非常有必要。
IPv4地址范围:00000000.00000000.00000000.00000000~11111111.11111111.11111111.1111111
即0.0.0.0~255.255.255.255。
进制，即表述数据的方法。进制类型：10进制、2进制、16进制
10进制：即组成数据的基本单元，包含了0-9。 主要是让人看的。
2进制：即组成数据基本单元，包含了0和1。 主要是让设备看的。
16进制：即组成数据基本单元，包含了0-9，a,b,c,d,e,f。 通常是用在“抓包软件”中，用于分析协议的数据包内容。
10进制的表示方法
127=1*10^2+2*10^1+7*10^0
2进制的表示方法
10101110=1*2^7+0*2^6+1*2^5+0*2^4+1*2^3+1*2^2+1*2^1+0*2^0
3、IP地址计算
2进制转换为10进制
常见应用场景：“IP地址”的识别和表示。
例如：IP地址的表示格式为：11000000.10101000.00000001.->192.168.1.1
2进制转换为10进制的核心精髓：
牢记2^n的结果，n=0~7
1,2,4,8,16,32,64,128：10进制转换为2进制
常见应用场景：”IP地址”的识别、表示和判断。判断IP地址是否同网段。
例如：判断PC1(192.168.1.1/24)和(192.168.1.130/24)是否为同一个网段
10进制转换为2进制的核心精髓
通过将10进制数除以2，将最终的“余数”组合在一起，变成8个2进制，不足8位的用0补全。
计算机=二进制 010101011 方便计算机处理 "逻辑集成电路" 通=1 断=0
十进制=192.168.1.111 4组十进制数 点分十进制 共4组成
1组十进制=8位二进制 4组=4*8=32位，每一组十进制数都可以用8个二进制数来表达。
如果某一位无法表达当前的数值时，则触发进位进制；进位时，原来的位数要置为0。
位数：每一个数在不同的位表达的含义不一致的，自后向前表达，自后是小值，向前为大值。
规则：二进制的0/1 在不同的位表达的含义不一致，0永远代表不取值，1则表达的信息要具体与不同位进行对应。
1111=8+4+2+1=15
11111=16+8+4+2+1=31
111111=32+31=63
1111111=64+63=127
11111111=128+64+32+16+8+4+2+1=255
255.255.255.255
最大：所有可变的二进制位都置为1。
1111=8+4+2+1=15
11111=16+8+4+2+1=31
111111=32+31=63
1111111=64+63=127
11111111=128+64+32+16+8+4+2+1=255
最小：所有可变的二进制位都置为0。
0000 0000=0 0.0.0.0
例∶172.16.10.1/16这个B类地址的网络地址、广播地址以及可用地址数分别是
网络地址∶将IP地址的主机位全设为0，所得结果是该IP地址所在网络的网络地址。
广播地址∶将IP地址的主机位全设为1，所得结果是该IP地址所在网络的广播地址。
IP地址数∶2"，n为主机位位数。
可用IP地址数∶2"-2，n为主机位位数。
179 划分10次方
1*10的3-1次方 1*100=100
7*10的2-1次方 7*10=70
9*10的1-1次方 9*1=9
100+70+9=179
179 十进抽划分二进制
179 128 51 32 19 16 2 1
10110011
二进制和 十进制转换
二进制：用0和1，单位是：bit
| 十进制 | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
| 二进制 | 10000000 | 1000000 | 100000 | 10000 | 1000 | 100 | 10 | 1 |
(1)累加法
3=11
6=110
10=1010
12=1100
20=10100
128=10000000
192=11000000
224=11100000
calc-----计算器---查看 程序员型
(2)凑数法
将每一组用8位二进制数表达出来，最终按照先后顺序，依次进行排列，得到最终的结果。
192.168.1.111
1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 0110 1111 === 192.168.1.111 //2进制 10进制
二进制转换成十进制
101=5
1100=12
1001=9
10010=18
128 64 32 16 8 4 2 1
3=11
7=111
15=1111
31=11111
63=111111
127=1111111
奇数：最后一个bit 一定是1 7=111 5=101
偶数：最后一个bit 一定是0 6=110 12=1100
一个网段可用地址数量计算∶
一个网段的主机位为n位，则P地址数为∶2"，可用IP地址数为∶2"-2(减去网络地址0 -和广播地址)。
一个子网包含的可用的主机ip数量(一个网段有多少个ip 地址)
192.168.1.0 /24 254=2^m-2 (m代表主机位的个数)
192.168.1 .xxxxxxxx 后8bit主机位192.168.6.0 255.255.248.0 /21
可用IP地址数量 = 2^11-2=2046
192.168.1.0 255.255.255.252 可用IP地址数量 = 2^2-2=2
| 192.168.1.000000 | 00 主机位全0 |
| 192.168.1.000000 | 01 |
| 192.168.1.000000 | 10 |
| 192.168.1.000000 | 11 主机位全1 |
注意：主机位全0 或者全1 不能配置在任何PC或者路由器上面(即非法的主机ip)
主机位全0：网络地址代表整个网段 子网
主机位全1：广播地址 子网广播地址
例如：192.168.1.128 255.255.255.128 /25 非法192.168.1.1 0000000
前25bit网络位 后面7bit主机位
例如：192.168.1.255 255.255.255.0 非法
例如：192.168.1.0 255.255.255.0 非法
例如：192.168.1.0 255.255.128.0 合法
4、IP地址分类
IP地址分为有类和无类。
有类(主类)IP地址：主要分为A、B、C类，每种类型固定的掩码。
无类IP地址：无论哪种类型的IP地址都没有固定掩码。
A类 1-126 例如：8.200.1.1 默认掩码： 255.0.0.0 1700W个
第一个8位组的第一位 一定取值0。 /8 == 255.0.0.0
00000000.xxxxxxx.…… 01111111.1111111……
最小：0.0.0.0 最大：127.255.255.255
B类 128-191 例如：172.16.1.1 默认掩码： 255.255.0.0 65536个
第一个8位组的前两位 一定取值10。 /16 == 255.255.0.0
10000000.xxxxxxx.…… 10111111.1111111……
最小：128.0.0.0 最大：191.255.255.255
C类 192-223 例如：192.168.1.1 默认掩码： 255.255.255.0 256个
第一个8位组的前三位 一定取值110。 /24 == 255.255.255.0
11000000.xxxxxxx.…… 11011111.1111111……
最小：192.0.0.0 最大：223.255.255.255
D类 224-239 例如：224.5.5.5 组播地址
第一个8位组的前四位 一定取值1110。 //组播地址 //逻辑地址
11100000.xxxxxxx.…… 11101111.1111111……
最小：224.0.0.0 最大：239.255.255.255
E类 剩下 实验地址
第一个8位组的前四位 一定取值1111。 //军事 保留地址
11110000.xxxxxxx.…… 11111111.1111111……
最小：240.0.0.0 最大：255.255.255.255
注意：A B C类地址属于单播地址，可以配置在PC上面。D E类无法配置在PC上面。
为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类∶
A、B、C、D、E类的类别字段分别是二进制数0、10、110、1110、1111，通过网络号码字段的前几个比特就可以判断IP地址属于哪一类，这是区分各类地址最简单的方法。
A、B、C三类地址是单播IP地址(除一些特殊地址外)，只有这三类地址才能分配给主机接口使用。
D类地址属于组播IP地址。只能作为逻辑地址存在，不能配置在设备接口上。
E类地址专门用于特殊的实验目的。
A、B、C类地址比较∶
1)使用A类地址的网络称为A类网络;使用B类地址的网络称为B类网络;使用C类地址的网络称为C类网络。
2)A类网络的网络号为8 bit，个数很少，但所允许的主机接口的个数很多;首位恒定为0，地址空间为∶0.0.0.0~127.255.255.255。
3)B类网络的网络号为16 bit，介于A类和C类网络之间;首两位恒定为10，地址空间为∶128.0.0.0~191.255.255.255。
4)C类网络的网络号为24 bit，个数很多，但所允许的主机接口的个数就很少;首三位恒定为110，地址空间为∶192.0.0.0~223.255.255.255。
注∶主机(Host)，通常指路由器和计算机的统称。并且常把主机的某个接口的IP地址简称为主机IP地址。
组播地址∶组播能实现一对多传递消息。
我们通常把一个网络号所定义的网络范围称为一个网段
网络地址：网络号为X，主机号的每个比特都为0。不能分配给具体的主机接口使用。
广播地址：网络号为X，主机号的每个比特都为1。不能分配给具体的主机接口使用。
可用地址：又称主机地址，可用分配给具体的主机接口使用。
一个网段可用地址数量计算:一个网段的主机位为n位,则IP地址数为:2",可用IP地址数为:2"-2 (减去网络地址和广播地址)。
5、私网地址和公网地址
(1)私网IP地址
私网IP地址：任何人都可以使用的地址，一般用于局域网(内网)，私网地址无法在公网上(运营商)被路由(传输)。
实际上一些网络不需要连接到Internet，比如一个大学的封闭实验室内的网络，只要同一网络中的网络设备的IP地址不冲突即可。在IP地址空间里，A、B、C三类地址中各预留了一些地址专门用于上述情况称为私网IP地址。
例如：192.168.1.3 >7.7.7.7 202.1.1.1------>7.7.7.7
私有地址范围
A类 10.0.0.0 /8 10.0 0.0~10.255.255.255
B类 172.16.0.0 /12 172.16 0.0~172.31.255.255
C类 192.168.0.0 /16 192.168.0.0~192.168.255.255
(2)公网IP地址
公网IP地址：IP地址是由IANA统一分配的，以保证任何一个IP地址在Internet上的唯一性,这里的IP地址是指公网IP地址。全球独一无二 ,可以在公网上被路由。
为了解决IP地址短缺的问题，提出了私有地址的概念。私有地址是指内部网络或主机地址，这些地址只能用于某个内部网络，不能用于公共网络。
公网IP地址∶连接到Internet的网络设备必须具有由ICANN分配的公网IP地址。
私网IP地址∶私网IP地址的使用使得网络可以得到更为自由地扩展，因为同一个私网IP地址是可以在不同的私有网络中重复使用的。
私有网络连接到Internet∶私有网络由于使用了私网IP地址，是不允许连接到Internet的。后来在实际需求的驱动下，许多私有网络也希望能够连接到Internet上，从而实现私网与Internet之间的通信，以及通过Internet实现私网与私网之间的通信。私网与Internet的互联，必须使用网络地址转换(NAT)技术实现。
注∶NAT(Network Address Translation)网络地址转换，其基本作用是实现私网IP地址与公网IP地址之间的转换。
IANA(Internet Assigned Numbers Authority)，因特网地址分配组织。
(3)特殊IP地址
(A)127.0.0.0 ~ 127.255.255.255 本地环回,代表自己，用于设备内部的协议栈测试使用。
IP协议规定：如果数据的目的IP地址为127，该网络则无法发送出本设备的接口。
IP地址空间中，有一些特殊的IP地址，这些IP地址有特殊的含义和作用，举例如下。
255.255.255 这个地址称为有限广播地址，它可以作为一个IP报文的目的IP地址使用。
路由器接收到目的IP地址为有限广播地址的IP报文后，会停止对该IP报文的转发。
(B)0.0.0.0 //不可用 0.0.0.0--0.255.255.255
(1)如果把这个地址作为网络地址，它的意思就是"任何网络"的网络地址;
(2)如果把这个地址作为主机接口地址，它的意思就是"这个网络上主机接口"的IP地址。
0.0.0.0的作用：
1.未指定的地址
2.路由层面：全网所有的地址
例如∶当一个主机接口在启动过程中尚未获得自己的IP地址时，就可以向网络发送目的IP地址为有限广播地址、源IP地址为0.0.0.0的DHCP请求报文，希望DHCP服务器在收到自己的请求后，能够给自己分配一个可用的IP地址。
127.0.0.0/8 这个地址为环回地址，它可以作为一个IP报文的目的IP地址使用。其作用是测试设备自身的软件系统。
一个设备产生的目的IP地址为环回地址的IP报文是不可能离开这个设备本身的。
169.254.0.0/16 如果一个网络设备获取IP地址的方式被设置成了自动获取方式，但是该设备在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，那么该设备就会使用169.254.0.0/16网段的某个地址来进行临时通信。
注∶ DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)，动态主机配置协议，用于动态分配网络配置参数，如IP地址。
广播分为：
全向广播 255.255.255.255 针对发送者而言
定向广播
0.0.0.0所有 代表任何网段255.255.255.255 广播169.254.x.x 没获取到地址特殊mac地址
全F 的MAC地址 广播MAC
01-00-5e-xx-xx-xx 组播mac
6、IP地址构成
结构上分为网络位和主机位两部分∶
网络位，代表IP地址所属的网段。网络位一致的ip地址和掩码的组合称为同一个网段。
主机位，代表网段上的某个节点。由子网掩码决定分界点。
相同网段：前面的网络位相同！！
例如：192.168.1.1 255.255.255.0 ===/24
11000000.10101000.00000001. 00000001 前24个bit 是网络位，后8个bit是主机位。
IP地址是以网络号和主机号来标示网络上的主机的，我们把网络号相同的主机称之为本地网络。网络号不相同的主机称之为远程网络主机，本地网络中的主机可以直接相互通信；远程网络中的主机要相互通信必须通过本地网关(Gateway)来传递转发数据。
网络地址：代表了本网段的所有地址，出现在路由表。
广播地址: 用于本网络内所有的主机通信的。
整个华为数通学习笔记系列中，本人是以网络视频与网络文章的方式自学的，并按自己理解的方式总结了学习笔记，某些笔记段落中可能有部分文字或图片与网络中有雷同，并非抄袭。完处于学习态度，觉得这段文字更通俗易懂，融入了自己的学习笔记中。如有相关文字涉及到某个人的版权利益，可以直接联系我，我会把相关文字删除。【VX：czlingyun 暗号：CSDN】
