计算机网络之 IP 协议与以太网

作者：未见花闻

2022 年 6 月 15 日
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🍒1.IP 协议

🍇1.1IP 协议格式

IP 是网络层传输的一种主流的传输协议，目前包括两个版本，一个是 IPv4，另一个是 IPv6，从全球范围来看 IPv4 仍然占据主流地位，不过在国内 IPv6 基本上部署的差不多了。下面关于 IP 协议格式的介绍以 IPv4 为主。

🍉1.1.1IPv4 格式

IPv4 协议格式如下：

版本（4 位）：用来描述 IP 协议的版本，0100表示版本为4，即 IPv4，如果版本为0111表示版本为6，即 IPv6。

首部长度（4 位）：表示 IP 协议首部的长度，单位是 4 字节，因此 IP 协议首部最大长度为15*4=60字节。服务类型 TOS（8 位）：实际只有 4 位是有效的，TOS 用来切换 IP 传输的状态，TOS 有效的 4 位分别表示最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四种状态，在同一时间传输时，只能选择一种。

数据总长度（16 位）：与 UDP 中表示的最大报文长度类似，表示数据载荷的最大长度，最大长度不超过 16 位，即 64k，如果数据大小超过 64k 了，则需要对数据进行分包发送，虽然分包是下策，但是 IP 协议自身已经实现了有关分包组包的操作，保证组包后数据的顺序不被打乱，实现有关分包组包字段为 16 位标识，3 位标志，13 位片偏移。标识（16 位）：其实相当于“快递编号”，如果一个快递太大了需要分开发送，那么分开发送的这几个包裹的“快递单号”是一样的，标识就是起到一个类似的作用，就是当将数据分包发送时，同一个数据报的数据，标识是相同的。标志（3 位）：其实有效的就 1 位，即第三位，3 位中，第一位保留备用，第二位为1表示禁止分片，为0表示允许分片，第三位表示数据分包时，如果是源数据的最后一个包，则会将标志位置为0，否则为1。

片偏移（13 位）：由 13 位构成，用来标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置，这样就算出现先发的包后到的情况，也能确定该包在原始数据中的位置。生存时间 TTL（8 位）：它最初的意思是以秒为单位记录当前包在网络上应该生存的期限，然而，在实际中它是指可以中转多少个路由器的意思。每经过一个路由器，TTL 会减少 1，直到变成 0 则丢弃该包（TTL 占 8 位，因此可以表示 0～255 的数字。因此一个包的中转路由的次数不会超过 $2^{8} = 256$ 个。由此可以避免 IP 包在网络内无限传递的问题。）协议（8 位）：表示传输层使用的是哪一种协议，比如 TCP 的编号是6，UDP 编号为17。首部校验和（16 位）：用来校验数据是否正确。源地址，目标地址（32 位）：源地址表示发送方的 IP 地址，目标地址表示接收方的 IP 地址，大小为 32 位，也就是说最多能够给大约 42 亿 9000 万的设备分配地址，由于互联网的快速发展，IP 地址快不够用了，所以就有了 IPv6，据说它能够给地球上的每一粒沙子分配地址。对于 IPv4 中的 IP 地址，通常使用点分十进制的方式来表示 IP 地址，就是将 32 位等分成 4 份每份 8 位，比如192.168.31.70这样的一串数字。可选项：长度可变，通常只在进行实验或诊断时使用。该字段包含如下几点信息：安全级别，源路径，路径记录，时间戳。填充：选项可能不是 32 位的整数倍，为此，通过向字段填充 0，调整为 32 比特的整数倍。

🍉1.1.2IPv6 协议格式

关于 IPv6 相比于 IPv4 的变化，《图解 TCP/IP》有如下解释：

IPv6 中为了减轻路由器的负担，省略了首部校验和字段（因为 TCP 和 UDP 在做校验和计算的时候使用伪首部，所以可以验证 IP 地址或协议是否正确。因此，即使在 IP 层无法提供可靠传输，在 TCP 或 UDP 层也可以提供可靠传输的服务。关于这一点可以参考 TCP 或 UDP 的详解。）。因此路由器不再需要计算校验和，从而也提高了包的转发效率。此外，分片处理所用的识别码成为可选项。为了让 64 位 CPU 的计算机处理起来更方便，IPv6 的首部及可选项都由 8 字节构成。

IPv6 协议结构如下：

对比与 IPv4 做出一些总结：

版本的作用与 IPv4 相同。
通信量类与 IPv4 的 TOS 作用类似。
流标号听说用于服务质量控制，emm，不太了解。
有效载荷长度和 IPv4 数据总长度意思一样，不够 IPv6 称自己能够最大能够一次发送 4G 的数据，听说是可选项的功劳。
下一个首部字段，相当于 IPv4 协议字段。
源地址与目标地址相当于 IPv4 的源地址与目标地址，IPv6 拥有 128 位，我算算，位数相当于 IPv4 的四倍，那么能够表示地址的大小就是 IPv4 能够表示地址大小的 4 次幂，太恐怖了，听说能够给地球上的每一粒沙子编号。
跳数限制相当于 IPv4 的生存时间 TTL。

🍇1.2IP 地址

上面说了那么多有关 IP 协议格式，但 IP 地址究竟是什么呢？对于 IPv4，IP 地址本质上就是一串 32 位的序号而已，以点分十进制的方式呈现出来，即平均将这 32 位平分为 4 份，每份 8 位，使用.分割，每份数据的范围为 0-255，比如192.168.31.70就是一个 IP 地址。

IP 地址分为两个部分，即网络号+主机号，网络号能够描述当前的网段信息（局域网标识），主机号区分了局域网中的主机。

要求在同一个局域网内，网络号必须相同，主机号不能相同，两个相邻的局域网（同一台路由器连接），网络号是不同的。

比如上面的192.168.31.70，192.168.31表示网络号，70表示主机号。但是网络号的位数与主机号的位数是固定的吗？当然不是，在计算机网络，有一个专有名词叫做子网掩码 ，它也是一个 32 位的数，对应 IP 地址的每一位，如果为1就表示这一位是网络号，为0就表示主机号，子网掩码不会混着排列，左边为1表示网络号，右边为0表示主机号。

打开电脑的命令行，输入ipconfig，就能获取到本机的 IP 地址：

就能获取到本机的 IP 地址和子网掩码，上图表示的子网掩码表示前 24 位是网络号，后 8 位表示主机号，毕竟自己的路由器也连接不了不少设备，8 位完全够用，如果是公司或者学校，主机号很可能会长一点。

一些特殊的 IP 地址，如果 IP 地址的主机号为 0，那么这个 IP 就是网络号，一般局域网内正常的设备主机号不会为 0，如果 IP 地址的主机号全为 1，那么这个 IP 就表示广播 IP 地址，即在这个广播地址上发送消息，整个局域网都会收到。

还有，127 开头的 IP 地址，表示环回 IP，就是表示主机自己，比较常用的就是127.0.0.1。IP 地址是 10 开头，192.168 开头，172.16~172.31 开头的 IP 地址是同一个局域网内部的 IP（内网 IP），除去上面这一些类型的 IP 地址，剩下的 IP 称为外网 IP，也就是直接在广域网使用的 IP。

有关局域网与广域网 IP 我有以下几点说明：

内网 IP 在局域网内部是唯一的，但是在不同的局域网内，可以存在相同的 IP 地址。
外网 IP 是唯一的，每个外网 IP 对应一个唯一的设备。

我们知道，IPv4 地址最多能够支持 42 亿 9000 万的设备编号，但是随着互联网的迅速发展，很快就不够用了，因此提出了三种解决方案：

动态分配 IP 地址，就是当设备上网的时候才分配 IP，否则不分配 IP，这种方案指标不治本，问题并没有完全解决。
NAT 机制，当前网络环境使用的就是这种方案，就是让多个设备使用同一个外网 IP，我们用的最多就是运营商的 IP，这就把网络分为了两个部分，一个是局域网，另一个是广域网，当我们多个设备连接上运营商提供的网络时，这些设备就组成了一个局域网，IP 通常是198.168开头，而我们知道不同局域网的 IP 是允许相同的，外网 IP 是唯一，这就缓解了外网 IP 分配的压力，对于外网 IP，我们在互联网任意的位置都能访问，而对于内网 IP，只能在所在的局域网内才能访问。同样，这个方法，只是解燃眉之急，治标不治本。
IPv6，我们前面说过，IPv6 的 IP 地址大小是 128 位，位数是 IPv4 的 4 倍，那么能够支持编号数是 IPv4 的 4 次幂，听说能够为地球上的每一粒沙子进行编号，我们知道，制造电脑需要硅，硅由沙子提取，如果能够为沙子编号，那电脑等设备也不在话下，至少在人类到达星际文明之前都是够用的，这是根本方法。

关于 NAT 机制，我再补充一点，就是多个设备使用一个 IP 地址，在这多个设备组成的局域网中，有多台设备访问外网的同一服务器，服务器收到的 IP 地址是一样的，那该如何区分请求是来自那一台设备呢？很简单，通过端口进行识别，如果在这个局域网在存在相同的端口号，则系统会重新分配端口号，当然如果这个局域网连接的设备太多了，端口号不够用了那就好出现问题了，这也是 NAT 机制的问题，最根本的方法是使用 IPv6。

既然 IPv6 这么香，为什么现在还流行 IPv4+NAT 呢？主要的原因就是 IPv6 与 IPv4 不兼容，那就造成需要升级 IPv6 就得换设备，那换设备要钱吧，那这钱谁出呢？但是我们国内 IPv6 升级的差不多了，主要是工信部给力啊。

🍇1.3 路由选择

路由选择其实就是规划路径，数据想要从一个设备到另一个设备，需要先规划一条路出来，然后数据沿着这条路进行传输，传输到目标 IP 地址。

但是仅仅拥有目标 IP 是不够的，在数据发送的过程中还需要类似于“指明路由器”的类似信息，才能发送到目标地址。也就是说，数据传输过程中如果不知道目标地址在哪，它就会找就近的人问路，就算给不出一条具体的路径，但是也会获得一个大致的方向，然后数据会沿这个方向走一段距离，找到另外一个路由器，这个过程也被称为下一跳，找到路由器后，又会进行问路，如果路由器知道目标地址在哪里，就会把路径的细节告诉这个数据，然后数据就会按照这个路径找到目标地址，如果这个路由器也不知道在哪，就会给出一个方向，以此类推，直到找到这个目标地址为止。

那路由器为什么能够找到目标地址，或者大致的一个方向呢，这是路由器中维护了一个路由信息表，表里面记录一些网段信息以及每个网络号对应的网络接口。至于路由器时如何形成路由表的，一是当路由器接入网络后，就会和相邻的设备“认识认识”，在认识的时候就构造了这个信息表，二是通过网络管理员手动导入。

🍒2.以太网

数据经过网络层的封装后，会进入数据链路层进一步封装，数据链路层最常用的协议就是“以太网”，协议格式如下：

目的地址，源地址（6 字节）：数据链路层的地址是 MAC 地址，表示物理层地址，每一个设备只有一个物理层地址，这在硬件出厂时就已经写死的（大部分），它的地址长度比 IPv4 长了 6w 多倍，如80-30-49-26-8E-D9就是一个物理地址，在命令行输入ipconfig /all就能够查看自己设备的物理地址。帧尾（4 字节）：帧尾的功能一般是校验，它是一个叫做 FCS（Frame Check Sequence，帧检验序列）或 CRC 算法实现的校验和。

以太网数据帧的最大数据载荷称为 MTU，这个范围一般取决于硬件设备，不同硬件设备的 MTU 也不同。数据链路层考虑的是相邻设备，或者说是直接连接设备的数据传输，考虑到这个细节的时候，就需要关注传输的硬件设备，不同的硬件，搭载的数据量也不同。

除了 MTU 还有一个类似的概念，那就是 MSS，表示在不分包的情况下，除去 IP 与 TCP 首部能够搭载的最大容量。

ARP 报文，并不是用来传输数据的，而是一个辅助信息，就是将 IP 地址与 MAC 地址一一对应起来，建立成一个类似哈希表的映射关系，MAC 地址每传输一次都会发生改变。当设备启动的时候，就会在所处的局域网发起一个广播，获取局域网内设备的 IP 与 MAC 地址，根据各个设备响应的信息就能建立一个 IP 与 MAC 对应的映射表。