速看，三分鐘帶你了解IP協(xié)議！

我的目的非常簡單，就是和大家一起進步，無論啥時候，我們都會覺得需要學習的知識太多了，而且還時不時感覺自己啥都不會！你說扎心不，好了。廢話不多說，直接進入正題。

首先電信網(wǎng)的成功經(jīng)驗讓網(wǎng)絡(luò)負責可靠交付

面向連接的通信方式

建立虛電路(Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。

如果再使用可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可使所發(fā)送的分組無差錯按序到達終點。

在了解IP協(xié)議之前先帶你了解一些基礎(chǔ)知識。

1.一些基礎(chǔ)知識

1.1虛電路是邏輯連接

虛電路表示這只是一條邏輯上的連接，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接。

請注意，電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣

1.2因特網(wǎng)采用的設(shè)計思路

網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送分組時不需要先建立連接。每一個分組（即 IP 數(shù)據(jù)報）獨立發(fā)送，與其前后的分組無關(guān)（不進行編號）。

網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾。即所傳送的分組可能出錯、丟失、重復(fù)和失序（不按序到達終點），當然也不保證分組傳送的時限。

1.3盡最大努力交付的好處

由于傳輸網(wǎng)絡(luò)不提供端到端的可靠傳輸服務(wù)，這就使網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以做得比較簡單，而且價格低廉（與電信網(wǎng)的交換機相比較）。

如果主機（即端系統(tǒng)）中的進程之間的通信需要是可靠的，那么就由網(wǎng)絡(luò)的主機中的運輸層負責（包括差錯處理、流量控制等）。

采用這種設(shè)計思路的好處是：網(wǎng)絡(luò)的造價大大降低，運行方式靈活，能夠適應(yīng)多種應(yīng)用。

因特網(wǎng)能夠發(fā)展到今日的規(guī)模，充分證明了當初采用這種設(shè)計思路的正確性。

1.4虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報服務(wù)的對比

1.5有關(guān)的網(wǎng)際協(xié)議

網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個協(xié)議：

地址解析協(xié)議 ARP (Address Resolution Protocol)

逆地址解析協(xié)議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP (Internet Control Message Protocol)

網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP (Internet Group Management Protocol)

1.6 網(wǎng)際層的 IP 協(xié)議及配套協(xié)議

1.7虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

互連在一起的網(wǎng)絡(luò)要進行通信，會遇到許多問題需要解決，如：

不同的尋址方案

不同的最大分組長度

不同的網(wǎng)絡(luò)接入機制

不同的超時控制

不同的差錯恢復(fù)方法

不同的狀態(tài)報告方法

不同的路由選擇技術(shù)

不同的用戶接入控制

不同的服務(wù)（面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)）

不同的管理與控制方式

1.8 網(wǎng)絡(luò)互相連接起來需要的中間設(shè)備

1.9 虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的意義

所謂虛擬互連網(wǎng)絡(luò)也就是邏輯互連網(wǎng)絡(luò)，它的意思就是互連起來的各種物理網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性本來是客觀存在的，但是我們利用 IP 協(xié)議就可以使這些性能各異的網(wǎng)絡(luò)從用戶看起來好像是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。

使用 IP 協(xié)議的虛擬互連網(wǎng)絡(luò)可簡稱為 IP 網(wǎng)。

使用虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的好處是：當互聯(lián)網(wǎng)上的主機進行通信時，就好像在一個網(wǎng)絡(luò)上通信一樣，而看不見互連的各具體的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)細節(jié)。

2. IP協(xié)議

2.1分類的 IP 地址

我們把整個因特網(wǎng)看成為一個單一的、抽象的網(wǎng)絡(luò)。IP 地址就是給每個連接在因特網(wǎng)上的主機（或路由器）分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標識符。

IP 地址現(xiàn)在由因特網(wǎng)名字與號碼指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)進行分配

分類的 IP 地址。這是最基本的編址方法，在 1981 年就通過了相應(yīng)的標準協(xié)議。

子網(wǎng)的劃分。這是對最基本的編址方法的改進，其標準[RFC 950]在 1985 年通過。

構(gòu)成超網(wǎng)。這是比較新的無分類編址方法。1993 年提出后很快就得到推廣應(yīng)用。

每一類地址都由兩個固定長度的字段組成，其中一個字段是網(wǎng)絡(luò)號 net-id，它標志主機（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡(luò)，而另一個字段則是主機號 host-id，它標志該主機（或路由器）。

2.2 IP 地址的一些重要特點

(1) IP 地址是一種分等級的地址結(jié)構(gòu)。

分兩個等級的好處是：

第一，IP 地址管理機構(gòu)在分配 IP 地址時只分配網(wǎng)絡(luò)號，而剩下的主機號則由得到該網(wǎng)絡(luò)號的單位自行分配。這樣就方便了 IP 地址的管理。

第二，路由器僅根據(jù)目的主機所連接的網(wǎng)絡(luò)號來轉(zhuǎn)發(fā)分組（而不考慮目的主機號），這樣就可以使路由表中的項目數(shù)大幅度減少，從而減小了路由表所占的存儲空間。

(2) 實際上 IP 地址是標志一個主機（或路由器）和一條鏈路的接口。

當一個主機同時連接到兩個網(wǎng)絡(luò)上時，該主機就必須同時具有兩個相應(yīng)的 IP 地址，其網(wǎng)絡(luò)號 net-id 必須是不同的。這種主機稱為多歸屬主機(multihomed host)。

由于一個路由器至少應(yīng)當連接到兩個網(wǎng)絡(luò)（這樣它才能將 IP 數(shù)據(jù)報從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)），因此一個路由器至少應(yīng)當有兩個不同的 IP 地址。

(3) 用轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋連接起來的若干個局域網(wǎng)仍為一個網(wǎng)絡(luò)，因此這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號 net-id。

(4) 所有分配到網(wǎng)絡(luò)號 net-id 的網(wǎng)絡(luò)，范圍很小的局域網(wǎng)，還是可能覆蓋很大地理范圍的廣域網(wǎng)，都是平等的。

(5)在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號必須是一樣的。

(6)路由器總是具有兩個或兩個以上的 IP 地址。路由器的每一個接口都有一個不同網(wǎng)絡(luò)號的 IP 地址。

2.3 IP地址與硬件地址

在具體的物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路層只能看見 MAC 幀而看不見 IP 數(shù)據(jù)報

IP層抽象的互聯(lián)網(wǎng)屏蔽了下層很復(fù)雜的細節(jié)，在抽象的網(wǎng)絡(luò)層上討論問題，就能夠使用統(tǒng)一的、抽象的 IP 地址研究主機和主機或主機和路由器之間的通信

2.4 地址解析協(xié)議 ARP 和 逆地址解析協(xié)議 RARP

不管網(wǎng)絡(luò)層使用的是什么協(xié)議，在實際網(wǎng)絡(luò)的鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀時，最終還是必須使用硬件地址。

每一個主機都設(shè)有一個 ARP 高速緩存(ARP cache)，里面有所在的局域網(wǎng)上的各主機和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

為了減少網(wǎng)絡(luò)上的通信量，主機 A 在發(fā)送其 ARP 請求分組時，就將自己的 IP 地址到硬件地址的映射寫入 ARP 請求分組。

當主機 B 收到 A 的 ARP 請求分組時，就將主機 A 的這一地址映射寫入主機 B 自己的 ARP 高速緩存中。這對主機 B 以后向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)報時就更方便了。

ARP 是解決同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射問題。

如果所要找的主機和源主機不在同一個局域網(wǎng)上，那么就要通過 ARP 找到一個位于本局域網(wǎng)上的某個路由器的硬件地址，然后把分組發(fā)送給這個路由器，讓這個路由器把分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一個網(wǎng)絡(luò)。剩下的工作就由下一個網(wǎng)絡(luò)來做。

從IP地址到硬件地址的解析是自動進行的，主機的用戶對這種地址解析過程是不知道的。

只要主機或路由器要和本網(wǎng)絡(luò)上的另一個已知 IP 地址的主機或路由器進行通信，ARP 協(xié)議就會自動地將該 IP 地址解析為鏈路層所需要的硬件地址。

發(fā)送方是主機，要把IP數(shù)據(jù)報發(fā)送到本網(wǎng)絡(luò)上的另一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。

發(fā)送方是主機，要把 IP 數(shù)據(jù)報發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)上的一個主機。這時用 ARP 找到本網(wǎng)絡(luò)上的一個路由器的硬件地址。剩下的工作由這個路由器來完成。

發(fā)送方是路由器，要把 IP 數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到本網(wǎng)絡(luò)上的一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。

發(fā)送方是路由器，要把 IP 數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)上的一個主機。這時用 ARP 找到本網(wǎng)絡(luò)上的一個路由器的硬件地址。剩下的工作由這個路由器來完成。

由于全世界存在著各式各樣的網(wǎng)絡(luò)，它們使用不同的硬件地址。要使這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠互相通信就必須進行非常復(fù)雜的硬件地址轉(zhuǎn)換工作，因此幾乎是不可能的事。

連接到因特網(wǎng)的主機都擁有統(tǒng)一的 IP 地址，它們之間的通信就像連接在同一個網(wǎng)絡(luò)上那樣簡單方便，因為調(diào)用 ARP 來尋找某個路由器或主機的硬件地址都是由計算機軟件自動進行的，對用戶來說是看不見這種調(diào)用過程的。

逆地址解析協(xié)議 RARP 使只知道自己硬件地址的主機能夠知道其 IP 地址。

這種主機往往是無盤工作站。 因此 RARP協(xié)議目前已很少使用。

2.5 IP數(shù)據(jù)報的格式

一個 IP 數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成。

首部的前一部分是固定長度，共 20 字節(jié)，是所有 IP 數(shù)據(jù)報必須具有的。

在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。

版本——占 4 位，指 IP 協(xié)議的版本，目前的 IP 協(xié)議版本號為 4 (即 IPv4)

首部長度——占 4 位，可表示的最大數(shù)值是 15 個單位(一個單位為 4 字節(jié))因此 IP 的首部長度的最大值是 60 字節(jié)

區(qū)分服務(wù)——占 8 位，用來獲得更好的服務(wù)，在舊標準中叫做服務(wù)類型，但實際上一直未被使用過。1998 年這個字段改名為區(qū)分服務(wù)。只有在使用區(qū)分服務(wù)（DiffServ）時，這個字段才起作用。在一般的情況下都不使用這個字段 。

總長度——占 16 位，指首部和數(shù)據(jù)之和的長度，單位為字節(jié)，因此數(shù)據(jù)報的最大長度為 65535 字節(jié)。總長度必須不超過最大傳送單元 MTU。

標識(identification) 占 16 位，它是一個計數(shù)器，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報的標識。

標志(flag) 占 3 位，目前只有前兩位有意義。

標志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“還有分片”。MF = 0 表示最后一個分片。

標志字段中間的一位是 DF (Don’t Fragment) 。只有當 DF = 0 時才允許分片。

片偏移(12 位)指出：較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對位置。片偏移以 8 個字節(jié)為偏移單位

生存時間(8 位)記為 TTL (Time To Live)，數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中可通過的路由器數(shù)的最大值。

協(xié)議(8 位)字段指出此數(shù)據(jù)報攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議，以便目的主機的 IP 層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個處理過程。

首部檢驗和(16 位)字段只檢驗數(shù)據(jù)報的首部，不檢驗數(shù)據(jù)部分。這里不采用 CRC 檢驗碼而采用簡單的計算方法。

源地址和目的地址都各占 4 字節(jié)

IP 首部的可變部分就是一個選項字段，用來支持排錯、測量以及安全等措施，內(nèi)容很豐富。

選項字段的長度可變，從 1 個字節(jié)到 40 個字節(jié)不等，取決于所選擇的項目。

增加首部的可變部分是為了增加 IP 數(shù)據(jù)報的功能，但這同時也使得 IP 數(shù)據(jù)報的首部長度成為可變的。這就增加了每一個路由器處理數(shù)據(jù)報的開銷。

實際上這些選項很少被使用。

有四個 A 類網(wǎng)絡(luò)通過三個路由器連接在一起。每一個網(wǎng)絡(luò)上都可能有成千上萬個主機。

可以想像，若按目的主機號來制作路由表，則所得出的路由表就會過于龐大。

但若按主機所在的網(wǎng)絡(luò)地址來制作路由表，那么每一個路由器中的路由表就只包含 4 個項目。這樣就可使路由表大大簡化。

在路由表中，對每一條路由，最主要的是（目的網(wǎng)絡(luò)地址，下一跳地址）

根據(jù)目的網(wǎng)絡(luò)地址就能確定下一跳路由器，這樣做的結(jié)果是：

IP 數(shù)據(jù)報最終一定可以找到目的主機所在目的網(wǎng)絡(luò)上的路由器（可能要通過多次的間接交付）。

只有到達最后一個路由器時，才試圖向目的主機進行直接交付。

這種路由是為特定的目的主機指明一個路由。

采用特定主機路由可使網(wǎng)絡(luò)管理人員能更方便地控制網(wǎng)絡(luò)和測試網(wǎng)絡(luò)，同時也可在需要考慮某種安全問題時采用這種特定主機路由。

路由器還可采用默認路由以減少路由表所占用的空間和搜索路由表所用的時間。

這種轉(zhuǎn)發(fā)方式在一個網(wǎng)絡(luò)只有很少的對外連接時是很有用的。

默認路由在主機發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報時往往更能顯示出它的好處。

如果一個主機連接在一個小網(wǎng)絡(luò)上，而這個網(wǎng)絡(luò)只用一個路由器和因特網(wǎng)連接，那么在這種情況下使用默認路由是非常合適的。

IP 數(shù)據(jù)報的首部中沒有地方可以用來指明“下一跳路由器的 IP 地址”。

當路由器收到待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報，不是將下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 數(shù)據(jù)報，而是送交下層的網(wǎng)絡(luò)接口軟件。

網(wǎng)絡(luò)接口軟件使用 ARP 負責將下一跳路由器的 IP 地址轉(zhuǎn)換成硬件地址，并將此硬件地址放在鏈路層的 MAC 幀的首部，然后根據(jù)這個硬件地址找到下一跳路由器。

(1)從數(shù)據(jù)報的首部提取目的主機的 IP 地址 D, 得出目的網(wǎng)絡(luò)地址為 N。

(2) 若網(wǎng)絡(luò) N 與此路由器直接相連，則把數(shù)據(jù)報直接交付目的主機 D；否則是間接交付，執(zhí)行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。

(4) 若路由表中有到達網(wǎng)絡(luò) N 的路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。

(5) 若路由表中有一個默認路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執(zhí)行(6)。

(6) 報告轉(zhuǎn)發(fā)分組出錯。

D, 得出目的網(wǎng)絡(luò)地址為 N。

(2) 若網(wǎng)絡(luò) N 與此路由器直接相連，則把數(shù)據(jù)報直接交付目的主機 D；否則是間接交付，執(zhí)行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。

(4) 若路由表中有到達網(wǎng)絡(luò) N 的路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。

(5) 若路由表中有一個默認路由，則把數(shù)據(jù)報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執(zhí)行(6)。

(6) 報告轉(zhuǎn)發(fā)分組出錯。

Java TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)

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