javaEE 初阶 — 网络层中 IP 协议的报文结构

小鱼儿 2023-10-04 22:09 50阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  IP 协议报文
 *   *  4位版本号
     *  4位首部长度
     *  8位服务类型
     *  16位总长度（字节数）
     *  8位生存时间（TTL）与 8位协议
     *  16位首部校验和
     *  32位源 IP 地址与32位目标 IP 地址
     *   *  动态分配的 IP 地址
         *  NAT 网络地址转换
         *  IPv6

## IP 协议报文 ##

![7c6782b2eeb347e4abc2ee0bc8d7136e.png_pic_center][]

### 4位版本号 ###

这里的 IP 协议是 IPV4 协议。（V4是版本号的意思）  
  
此处的取值只有 4 和 6 ，当前介绍的是 IPV4 版本的。

### 4位首部长度 ###

这里描述了 IP 报头多长。（IP报头是可变的）  
报头中有一个选项部分，这是可变长的，也是可有可无的，此处的单位是 4 字节。

### 8位服务类型 ###

这里说是 8 位，实际上只有 4 位有效，这 4 位中只有 1 位可以是 1 ，其他的都是 0 。  
4 位 就表示 IP 协议的四种形态（**四种工作模式**）

这里的四种形态就好比游戏中的角色根据不同的战斗，来改变形态以发挥到最大的战斗力。  
  
四种工作模式：  
  
**最小延时、最大吞吐、最高可靠性、最小成本**

实际开发中的时候就可以根据需要，来切换 IP 的模式已达到最优的效果。（其实实际上，开发中很少真的这样来设定）

主要是是因为这些东西是站在技术角度来处理的，而实际上技术上的定西一般都比较好解决，不好解决的是业务上的东西。  
因为性能瓶颈往往是业务带来的。

### 16位总长度（字节数） ###

16 为总长度描述了了一个 IP 数据报的长度。（头+载荷）  
这个长度减去前面的 IP 报头长度，剩下的就是载荷长度，也就是一个完整的 TCP/UDP 数据报长度。

这里的 16 位总长度是不是意味着一个 IP 数据报最大只能支持 64 KB？  
是不是就相当于快递公司一次只能给你运 64 KG 的快递。

确实是有这个功能的，但是 IP 自身就支持对包的 **拆分** 和 **组装**。  
比如说，在网上买了一个书架，快递公司会把书架给拆成多个部件，等到我收到所有部件后就会把它给组装出来。

一个 IP 数据报携带的数据载荷太长了，超过了 64 KB，就会在网络层针对数据进行拆分，把一个数据拆分成多个 IP 数据报，  
再分别发送，接收方再重新拼装。

### 8位生存时间（TTL）与 8位协议 ###

8 位生存空间指的是一个数据报在网络上能够传输的最大时间。

这个时间的单位不是 “秒”，而是 “次数”。  
一个数据报构造出来会有一个初始的 TTL 数值（比如 32 或者 64 或者 128）  
这个报每次经过一个路由器转发，TTL 的值就减一个。

如果一直减到 0 了，还没有到达目标，此时就认为这个包永远也到不了了，就可以丢弃了。

比如说寄快递的时候，如果这个收件地址压根不存在呢？  
  
**8位协议** 描述了当前载荷部分内容是属于哪个协议的。

### 16位首部校验和 ###

此处只需要针对首部进行校验，载荷部分（TCP/UDP数据报）自身已经有校验和了。

如果校验和不一样会直接丢弃， IP 不会负责重传，如果上层使用了 TCP ，TCP 就会在没收到 ACK 之后重传。

### 32位源 IP 地址与32位目标 IP 地址 ###

此处看到的 IP 地址是 32 位的整数，而日常生活中见到的 IP 则是一串数字。

例如日常生活中看到的是：192.168.10.10  
  
IP 地址我们期望的是每个设备都是不同的，但是 32 位数字只能表示 42亿9千多万个数字。  
所以要使用这些数字表示全世界上所有的上网设备。比如智能手机、计算机、路由器…

采取 IPv4 版本，是无法表示世界上所有的网络设备的。  
  
为了解决 IP 地址不够用的问题，想了很多办法：

1、**动态分配的 IP 地址**

2、**NAT 网络地址转换**

3、**IPV6**

#### 动态分配的 IP 地址 ####

动态分配 IP 地址，就是在网络设备使用的时候再分配 IP 地址，不使用的时候就不分配。  
这样不仅提高了 IP 地址的利用率，还可以节约有限的资源。

但是这个方案没有从根本上增加 IP 地址，只是提高了利用率，属于治标不治本。

#### NAT 网络地址转换 ####

这个方案的本质是使用一个 IP 代表一批设备，也是可以提高 IP 地址的利用率，只不过要使用端口号来区分不同的设备。

在 NAT 背景下，就把所有的 IP 地址分为两个大类：

1、**内网 IP（私有 IP）** ：以 10.\* 、172.16.\* ~ 172.31.\* 、192.168.\* 开头的都是属于**私网**。

例如：我的笔记本的 IPV4 地址是 **192.168.21.1**，这就是一个私网 IP。  
  
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2、**外网 IP （公网 IP）**：除了私网剩下的都是公网。  
  
NAT 要求公网 IP 必须是唯一的，而私网 IP 可以在不同的局域网中重复出现。

**如果某个私网里的设备想要访问公网的设备，就需要对应的 NAT 设备（路由器），把 IP 地址进行映射，从而完成网络访问。  
反之，公网的设备无法直接访问私网的设备，不同的局域网的私网设备无法直接访问相互访问。**

举个例子

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每个人相当于是一个独立的 IP 地址，快递员必须要知道这个人的 IP 地址，才能找到这个人。  
  
![88f1b880012a45c98e1cfdac6ac53fbd.png_pic_center][]  
NAT 技术就是把每个 IP 地址变成一个小区，快递员只需要把包裹交给门卫（相当于是 NAT），  
门卫再将包裹交给住户。小区之内就是**私网**，小区之外就是**公网**。

打开自己电脑的 cmd 键入 **ipconfig**，就可以看到自己电脑的 IP 地址，而且这个 IP 地址基本上都是私有 IP。

内网 IP 只要在局域网内部不重复即可，而不同局域网中则是允许重复的。

![a7f440226f1044ef9cd8c72b37df5bf6.png_pic_center][]  
  
**源 IP 地址就是 192.168.21.2**，**目的 IP 就是 1.2.3.4**。  
我的 IP 数据报经过 NAT（运营商路由器）设备之后，此时就会把我的 源 IP 给改了。

此时源 IP 就是 NAT 设备的 IP，**61.185.187.142**，而目的 IP 还是 1.2.3.4。  
站在服务器的视角，看到的我的电脑的 IP 地址就是这个运营商路由器的地址。  
  
当有其他的电脑接入运营商路由器的时候，去访问外部服务器都会被路由器替换成路由器自己的 外网 IP。

因此服务器只能拿到路由器的 IP ，不能拿到我的电脑的内网 IP 。  
如果我的电脑不主动和服务器联系，服务器也就不知道我的端口，从而就无法主动找到我的电脑。

只要电脑是经过运营商路由器转发给服务器的，服务器看到的源 IP 就都一样。

如果是多个电脑同时访问同一个服务器，服务器的响应就会先发给路由器，路由器根据这些电脑不同的端口号来区分，决定先发给哪个设备。  
  
NAT 机制能够有效地解决 IP 地址不够用的问题，但是带来的副作用就是网络环境更加的复杂了。

#### IPv6 ####

IPV6 从根本上解决了 IP 不够用的问题，是使用 16 字节来表示的。

和 IPV4 不同，IPV6 的地址长度扩张到了 128 位，是前者的 4 倍。  
  
![fff0ada8953a491bbe84390c684d47b5.png_pic_center][]  
  
上述图片就是一串 IPV6 的地址。

长度增加后原有的点分十进制也不够用了，于是 IPV6 改用十六进制表示。  
  
![0ca9f3d14255470fbba597e3dcd6c96f.png_pic_center][]  
  
上述图片就是改用的十六进制表示的。

IPv4 有 43 亿的地址，IPv6 的长度是它的 4 倍，是不是意味着 IPv6 的地址个数也是它的 4 倍，也就是 172 个地址？

答案是不是，IPv6 的地址空间是 **2^128-1**，IP地址 总数为 3402823… 总之是很多的。  
多到可以给地球上的每粒沙子都分配一个 IP 地址。

IPV6 虽然地址个数足够使用，但是当前世界上仍然是 NAT + IPV4 + 动态分配 来进行网络组建的，  
真正使用 IPV6 的地方非常少。

这主要是因为 IPV6 不是 IPV4 协议的升级，而是一个全新的协议。  
两个协议之间无法兼容，如果要使用 IPV6 ，那全世界的互联网设备都要同步更换硬件设备，更换硬件设备需要花更多的资金。

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