引言

博客到这里，写到了网络层，本篇博客主要对 IP协议进行介绍。

一、IP 协议段格式

1. IP 数据报的拆包组包

在上图中，我们可以看到：一个 IP 的数据报总长度为 16位，这看上去和 一个UDP 数据报的长度相同，最大都为 64KB.

而虽然 IP协议 看起来也是有个最大 64KB 的限制，但实际上，IP协议 内置了拆包组包的功能。如果一个数据太长了，IP协议 就会先将数据自动拆成多个数据报，再进行传输，最后接收方收到数据时，又会重新进行组包。这样一来，就没有单单的 64KB 的限制了。此外，IP协议 的拆包组包功能是内置在协议中的，不需要程序员实现这一功能，比较方便。

2. 8 位生存时间

8 位生存时间这个字段表示 一个 IP数据报 最多在网络上存活多久，而 TTL 并不是一个时间单位，它其实是一个以 " 次数 " 为单位的概念。

比方说，主机A 给距离较远的 主机B 发送数据，数据每次经过一个路由器转发，TTL 就减 1，而 TTL 一直减到 0 还未到达 主机B 目的 IP，那么就被自动丢弃。而一般情况下 TTL 的次数都较为充裕。

那么，8 位生存时间这个字段，主要是用来防止出现路由器之间的循环。( A -> B -> C -> A )

3. 源 IP 与目的 IP

这是整个 IP 协议中最核心的部分。
我们将 IP地址 比作成快递单号上的地址，源IP 就表示 " 发件人地址 "，目的IP 就表示 " 收件人地址 "。

4. IP协议 的两个核心功能

① 地址管理

地址管理：能够通过一系列的规则，将网络上设备的地址给描述出来。
地址管理中的一些重点部分在下面的 IPv4 协议中会详细介绍到，现在请继续往下看。

② 路由选择

路由选择：根据当下的源地址和目的地址，规划出一条合适的路径。

此处的 " 路由 " 指的是 IP协议 中的 " 路径规划功能 "，为什么要进行规划？
因为通过网络从某一端传输到另一端，在这个过程中，并不是 " 一站到达 "，它更多的情况下是错综复杂的路线，下图为我们展现出来了这样的情况。

主机A 与 主机B 之间进行通信，方框代表网络关口，即路由器。下图中只画出了三条路线，实际上不止三条路线，可以看到，每个路由器代表一个 " 关卡 "，在传输数据的过程中，下一步究竟走哪条路线，这是未知的。

举第一个例子：小明准备从家里出发去市中心购物，那么他就得先明确起始地和目的地，起始地是家，目的地是商场。可想而知，小明在去之前，就必须得规划好路线。坐公交车、坐地铁、或坐出租车…假设他坐地铁，而坐地铁又分为很多种路线，可能先是 1号线 > 6号线 > 5号线，也有可能是 1号线 > 10号线 > 3号线 > 16 号线…他在去之前就能够规划好路线，以此来提高效率。

但是在 IP 协议中的路由选择与我们上面说的坐地铁选择路线之间有本质区别，更多的是一种 " 探索式 " 的过程。因为当数据到达某个路由器之后，路由器并不能立马为数据规划好一个整套的路线，路由器只能知晓它附近的情况，即它只知道相邻设备的情况。这很好理解，毕竟路由器是一个物理层面的实体，它并不能掌控全局，它的存储空间有限，不可能通过一个路由器的路由表就保存整个互联网环境的所有情况。

举第二个例子：杰克第一次来到一个陌生的城市，他也准备去市中心购物。但这时候，他就只能向路人问路，但是路人每次只能列出一个大致的方向。

当杰克遇到第一个路人A，
路人A 说：我不知道商场在哪，但我知道你从这里坐 3号线坐到 xxx路，那里一定有购物的地方，即使没有，你也可以再问问别人…

之后杰克应了路人A 的话，坐了 3号线，当他从 3号线下来的时候，找了半天没找到商场，于是又问了路人B，
路人B 说：你从这里直走，走到头，再往左转，就能看到购物的地方。

于是杰克又应了路人B 的话，到了他说的地方，只是发现了服装专卖店，并不是商场，于是他又问了路人C
…
…
…

在刚刚的例子中，每一个路人，就相当于一个路由器。每个路人都有一个自己熟悉的范围，但一个路人并不知道一套完整的路线，只知道一个大致的方向。而这个例子，就类似于路由器中的一种核心数据结构：" 路由表 "。

二、IPv4 协议

在 IPv4 中，计算机主要是通过一个 32位 的二进制数来进行表示一个 IP 地址。

而为了给人们直观地观察 IP 地址，把这个 32位 整数表示成 " 点分十进制 " 的形式，使用三个点，把整数分成 4份，每一份最大 8位。

例如：下面的就为人们日常使用的 IP 地址格式
192.168.1.102
1
2

关于 IP 地址，涉及一个较为重要的问题：IPv4 协议对应的 IP地址 够用吗？

IPv4 协议对应的 IP地址 实际上使用 32位 整数来表示的，而 32 位的二进制数最多也就只能表示 42亿9千万之多，这是因为当初设计者就是这么设计的，他们也没有想到今天这个时代，互联网发展的如此迅速。

所以说，针对一个城市、一个人口不那么多的国家，IP 地址或许已经够用了。
但如果要做到全球通信，就很困难了，因为可能我们每个人不止一个网络设备，公司也不可能按数量为员工分配刚刚好的设备。

三、如何解决 IP地址的不够用问题

1. 动态分配 IP

本质上说，动态分配 IP 的思想就是：一个设备接入网络了，就为其分配一个 IP，另一个设备没接入网络，就不为其分配 IP. 但是这种办法，终归治标不治本。
因为在当下社会，很多人手机可能就已经全天 24小时 开着网络了。

2. NAT 机制

NAT：Network Address Translation ( 网络地址转换 )

NAT 机制的思想实际上就是使用一个 全局的 IP 地址，来代表一批私有 IP 的主机。

(1) 根据例子理解 NAT 机制

在下图中，在局域网1 中，全局 IP 123.456.12.7 这个地址用来表示整个局域网内的主机地址。在局域网2 中，也是同样的操作。而由于不同的局域网可以使用重复的主机 IP，这样一来，就可以 " 重复使用相同的 IP地址了 "，以此间接达到地址复用的目的。

在上图中，类似于 192.168.xxx.xxx 这样的 IP 是一个局域网内部的 IP，局域网内部的 IP 在同一个局域网内部不能重复，但两个不同的局域网可以使用重复的局域网 IP.

当使用局域网1 中的主机1 尝试发送请求，想与使用广域网范围的设备进行通信的时候，主机1 就要先将 IP 地址转换为路由器对应的 全局IP，通过这个 全局IP 再来和广域网范围的设备进行通信；而当广域网范围的设备返回响应的时候，也先是返回到路由器上，路由器再将 全局IP 转换为 主机1 的 私有IP，这样一来，主机1 最终才能获取响应。

简单说明通过 IP，发送与接收数据的过程：

主机1 发送数据，源 IP -> 目的 IP 的过程：

私有IP 192.168.0.10 -> 全局IP 123.456.12.7 -> 广域网的目的 IP

主机1 接收广域网返回响应的过程：

广域网的目的 IP -> 全局IP 123.456.12.7 -> 私有IP 192.168.0.10
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7

举个例子：大学生在学校拿快递的时候，学校附近可能不止一家菜鸟驿站，而不同的菜鸟驿站中取件码可以相同，但这些菜鸟驿站基本上是围绕着大学的学生服务的。那么某某大学就相当于是一个广域网，某个菜鸟驿站就相当于某个局域网对应的 全局IP，菜鸟驿站中的取件码就相当于各个主机，因为各个取件码依赖着所属的菜鸟驿站，而快递员送快递的时候，根据快递类型又来放入不同的菜鸟驿站中。

(2) NAT 机制对应的模型

NAT 机制是当下互联网中解决 IP 地址不够分配的典型情况，也比较的适合当下的网络。

对上图的发送数据与返回数据进行说明：

• NAT 路由器发送数据时，将 源IP 从 10.0.0.10 替换成全局的IP 202.244.174.37；
• NAT 路由器返回数据时，将 目标IP 从 202.244.174.37 替换回 10.0.0.10；
• 在 NAT 路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表，当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系。

3. IPv6 协议

IPv4 是长度为 32位的数据，而 IPv6 是长度为 128位 的数据，读者可以使用计算器计算一下，IPv6 是一个巨大的数字。

IPv6 相当于釜底抽薪，它从根本上解决了 IPv4 协议的地址不够用问题。虽然 IPv6 已经提出了很多年了，但在当下的网络时代， IPv6 的普及程度，仍然相对较低，使用 IPv6 的 IP 远远少于使用 IPv4 的 IP.

原因就是 IPv6 和 IPv4 互不兼容，所以如果你要想升级成 IPv6，得把相关的网络设备，例如交换机、路由器、服务器…都得升级成 IPv6. 而这需要很大的一笔费用才能支持更换这些设备。此外，原先使用 IPv4 的网络设备使用寿命一般较长，也无需更换。

四、拓展

1. 关于局域网的一些特点

以下三类 IP 都表示局域网IP：

① 10.*
② 172.16.* - 172.31 .*
③ 192.168.*
1
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5

① 每一个局域网内的主机，网络号需相同，主机号不能相同。

② 两个相邻的局域网，网络号必须不同。( 同一个路由器所构成的相邻局域网 )

③ 网络号需要根据子网掩码得出，子网掩码非常有特点，左半部分全是1，右半部分全是0. 然后把子网掩码和 IP地址 进行按位与运算，得到的结果就是网络号。因此，一般情况前半部分就是网络号，后半部分就是主机号。

2. 特殊的 IP地址

① 如果主机号全为0，这个 IP 就表示网络号，表示当前这个网段。

② 如果主机号为 1，这个 IP 通常表示当前网段的 " 网关 "，即路由器，就表示这个网络的出入口。

大家都知道，从一个房间走到另一个房间，必然要经过一扇门。同样，从一个网络向另一个网络发送信息，也必须经过一道 " 关口 "，这道关口就是网关。顾名思义，网关，就是一个网络连接到另一个网络的 " 关口 "。也就是网络关卡。(来自百度)

③ 如果主机号为 255，这个IP表示 " 广播IP "，如果你搞一个 UDP 数据报，然后把目的 IP写成主机号为 255 的 IP，此时这个数据报就能在当前局域网中广播，它的作用体现在：能够发给每个局域网中的设备。

④ 127.*
127.0.0.1 环回 IP 表示自己当前的主机。