计算机网络基础 (二)--- 网络层 -IP 协议详解

文章内容概览



虚拟互联网络

从上一篇文章最后提到的一个问题来引出虚拟互联网络



对这个网络拓扑，上篇文章中提出了一个非常重要的问题：计算机A如何跨设备传输数据到计算机C？



其实可以把这个小的网络拓扑放大



在这个大型网络拓扑中，计算机A如何将数据传输给计算机B，这个的性质和上边那个简单的网络拓扑的性质是一样的。这个网络其实有很多的路径可以把计算机A的数据传输给计算机B，比如：



计算机A的数据先经过中型网络、*大型网络*、中型网络、*小型网络*，然后到达计算机B。除了上图的这条路径以外，还可以画出别的很多路径。通过这张网络拓扑可以知道，A的传输路径有很多条。其实这些网络路径，对于使用者，是不需要关心的，也就是说我们不关心网络是怎样连接的，也不关心数据包是怎么走的，这个是由网络层所解决的。网络层提出了一个非常重要的概念，虚拟互联网络



虚拟互联网络



• 实际的计算机网络是错综复杂的

• 不同的物理设备通过使用IP协议，就屏蔽了物理网络之间的差异

• 当网络中的主机使用IP协议相连接时，则无需关注网络细节，只需关心端到端的连接



也就是说，上边提到的复杂的网络拓扑，其实我们不用关心。只需要把中间的部分看做虚拟的互联网络即可。如下图，计算机A通过网络连接到一个虚拟的互联网络中，*计算机B*也连接到了这个虚拟的互联网络中。那么计算机A只需要将数据发送到虚拟的互联网络中，这个虚拟的互联网络就可以解决数据传输的问题，并且将其准确的传输到计算机B。这个就是虚拟互联网络的概念





IP协议



• 对于网络层，IP协议是其中一个非常重要的协议

• IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络（也就是我们只需要将终端设备连接到这个网络中去即可，并不需要关心里边实际的复杂网络）

• IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发（如果单从网络层去看，我们是不用关心数据包是通过海底电缆还是通过无线WiFi传输到目的计算机的）

• IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题



在上一篇的概述篇中提到了MAC地址，它是每一个网络设备或网卡的身份证，在数据链路层，只要拥有了这个MAC地址，就可以进行数据帧的传输了。MAC地址是48位，使用十六进制来表示。我们可以将MAC地址展开成二进制的格式



在网络层，同样也有一个地址的概念，这个地址称之为IP地址。IP地址总共有32位，一般用点分十进制表示。也可以展开成二进制的格式



IP地址对于网络层来说，和MAC地址对于数据链路层来说，功能是类似的。这里的IP地址是每一个网络设备唯一的一个身份，也就是对于网络层来说，每一个网络设备，它都有一个唯一的IP地址，通过这个IP地址就可以标识唯一的一个设备



MAC地址和IP地址不同之处



对于MAC地址，它是唯一的，并且是不可改变的。因为网卡从一个地方挪到另外一个地方，这个MAC地址是不变的。但是IP地址不同，如果我们的笔记本在家连接WiFi的时候是IP地址A，当我们把笔记本电脑拿到公司或咖啡馆，这个IP地址将会发生变化，因此，IP地址对于网络设备来说，它是可变的。也就是说，如果网络设备的网络环境变了，IP地址就会跟着变化



IP地址



• IP地址长度为32位，常分成4个8位

• IP地址常使用点分十进制来表示（0~255.0~255.0~255.0~255，通过计算可以知道，最多可以表示2的32次方个IP地址，大概42亿）



IP协议

在了解IP协议之前，先看一下IP协议所处的一个位置。在物理层，它传输的是0、1这样的比特流；在数据链路层，传输的是数据帧，数据帧包括帧首部、帧尾部和“帧”数据，“帧”数据主要就是IP数据报。现在对IP数据报进行详细的剖析，它将会分成IP首部和*IP数据报的数据*两个部分





要学习IP协议，IP协议的首部是非常重要的内容，后边也会重点介绍IP首部的信息。下边是IP首部的具体格式





从上图可以看出，IP首部中包含了非常多的信息，包括版本、*协议*、IP地址等。上边的每一行都是32个比特位，也就是4个字节，前边五行是必须存在的内容，第六行是可有可无的，第七行是IP数据。因此对IP首部来说，至少会有20个字节的长度



IP首部中每一部分的含义



• 版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6

• 首部长度：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部的长度，单位是“32位字”（4个字节），也就是IP首部最大长度为60字节

• 服务类型：这个一般是不需要关心的

• 总长度：占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度（IP首部+IP数据） （在前边介绍数据链路层的时候，也提到过一个长度。对于数据链路层的长度，称之为MTU，一般为1500字节。而IP数据报的最大长度有65535个字节，比MTU要大。如果真正传输的时候，如果出现这种情况，数据链路层会对IP数据报进行分片，也就是将一个较长的IP数据报拆分成多个数据帧来进行传输）

• 标识：协议内部所使用的，无需关心

• 标记：标记IP报文是否可以进行分片

• 片偏移：前边有提到，如果IP数据报的长度过长，会进行IP报文的分片，把一个IP报文拆分成多个数据帧进行数据链路层的传输。因此，如果拆分的话，就需要使用片偏移来记录当前的数据帧，保存的第几个偏移的IP数据

• TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备（不管是路由器还是计算机），TTL减一，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文（它解决的就是，当网络报文找不到终点的时候，避免网络报文在网络中无限的传输，以消耗带宽）

• 协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如TCP、UDP等，一些协议对应的值，可参考下图）

• 校验和：占16位，校验IP首部是否有出错（接收方接收到IP首部之后也会进行校验，如果有错，则直接丢弃）

• 源IP地址：*发送*IP数据报的网络设备的IP地址

• 目的IP地址：IP数据报要到达的目的网络设备的IP地址



一些协议所对应的值



这些协议的数据，使用IP协议进行传输的时候，都会把IP首部中的协议赋不同的值。可以看到里边也有IP协议对应的值，也就是说，对于IP协议来说，IP协议的数据还可以继续封装IP数据，也就是IP数据中的IP数据，在一些特殊的场合，也有它的作用



在快速变化的技术中寻找不变，才是一个技术人的核心竞争力。知行合一，理论结合实践