网络层协议：IP协议详解
简介：
IP协议属于网络层协议，所有的TCP, UDP, ICMP, IGMP数据都通过IP数据报传输。IP提供了一种不可靠，无连接的数据包交付服务。依赖其他层的协议进行差错控制。 不可靠: IP数据报不保证能成功的到达目的地，如果出现错误则选择丢弃该数据，然后发送ICMP消息报给信源端 无连接: IP不提供任何后续数据报的状态信息，每个数据报处理都是独立的。如果一个信源发送了连续的两个数据报，每个数据报选择独立的路由，两个数据可能不同时到达。IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。这样上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定对方的IP地址。
ipv4数据报
1.版本号：占四位，就是IP协议的版本，通信双方的IP协议必须要达到一致，IPv4的版本就是4.
2.首部长度：占四位，因为长度为四比特，所以首部长度的最大值为1111，15，又因为首部长度代表的单位长度为32个字（也就是4个字节），所以首部长度的最小值就是0101，当然，也确实如此，大部分的ip头部中首部字节都是0101.也就是5*4=20个字节，如果是最大值15的话，ip首部的最大值就是60个字节，所以记好了，ipv4首部长度的最大值就是60，当然当中我们又能发现，IPv4的首段长度一定是4字节的整数倍，要是不是怎么办呢？别急，后面的填充字段会自动填充补齐到4字节的整数倍的。
3.区分服务：这个没有什么用处，也没有什么好讲的了，只要自动这玩意占八位，一个字节就可以了。
4.总长度：占16位，这个的意思就是ip数据报中首部和数据的总和的长度，因为占16位，所以很好理解，总长度的最大值就是2的16次方减一，65535，这玩意也对应着还有一个很简单的概念，最大传输单元mtu，意味着一个IP数据报的最大长度就只能装下65535个字节，要是传输的长度超过这个怎么办，很简单，分片。
5.标识：占16位，标识这玩意很好理解，IP在存储器中维持一个计数器，每产生一个 数据报，计数器就加1,并将此值赋给标识字段。但这个标识并不是平常的序号，因为IP是 无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分 片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中，等到重组的时候，相同标识符的值的数据报就会被重新组装成一个数据报。
6.标志：占三位，一般有用的是前两位， 最低位叫做MF，MF=1表示后面还有若干个数据报，MF=0表示这已经是最后一个数据报了。 中间位叫做DF，DF表示不能进行分片，DF=0才可以进行分片操作。
7.片偏移：占13位，片偏移就是，在原来的数据报分片以后，该片在原分组中的相对位置，片偏移中的基本单位是8字节，所以，也就是说，只要是分片，每个分片的长度都是8字节的整数倍，最后一个分片不够八字节的一样是填充。
8.生存时间ttl：占8位，（time to live），表明数据报在网络中的寿命，这个值被设定成跳数，顾名思义，就是这个数据报可以经过多少个路由器的数量，每经过一个路由器，该值就减一，减到为零的时候就被抛弃，显而易见，这个跳数的最大值就是2的8次方减一，255.
9.协议：就是用来指明数据报携带了哪种协议，占8位。
10.首部效验和：占16位，这个字段用来效验数据报首段，下面给出简单的计算方法：
首先在发送端的时候，将效验和全部置为0，然后把数据报首段数据全部进行反码相加，得到的值为效验和，放入首段效验和里面，然后接收端将数据报首段数据和效验和一起全部反码相加，最后若是得到零，则保留，若是不为零，则说明数据报在传输的过程中发生了改变，则丢弃该数据报。
11.IP源地址：占32位，将IP地址看作是32位数值则需要将网络字节顺序转化位主机字节顺序。转化的方法是：将每4个字节首尾互换，将2、3字节互换。
12.目的地址：也占32位，转换方法和来源IP地址一样。
13.选项：可变长的可选信息，最多包含40字节。选项字段很少被使用。可用的IP可选项有： a. 记录路由: 记录数据包途径的所有路由的IP，这样可以追踪数据包的传递路径 b. 时间戳: 记录每个路由器数据报被转发的时间或者时间与IP地址对，这样就可以测量途径路由之间数据报的传输的时间 c. 松散路由选择: 指定路由器的IP地址列表数据发送过程中必须经过所有的路由器 d. 严格路由选择: 数据包只能经过被指定的IP地址列表的路由器 e. 上层协议(如TCP/UDP)的头部信息
13.到了可变部分IPv4的头部基本上就已经讲完了，增加头部的可变选项实际上就是增加了数据报的功能，可变选项在实际上是很少用到的。
分片
当IP数据报的长度超过帧的MTU时，它将被分片传输。分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中多次分片，但只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。 IP头部中的如下三个字段给IP的分片和重组提供了足够的信息：数据报标识、标志和片偏移。一个IP数据报的每个分片都具有自己的IP头部，它们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其他分片都将设置MF标志。此外，每个分片的IP头部的总长度字段将被设置位该分片的长度。
IP路由
路由是什么： 我们知道，IP地址是网络世界里的门牌号。你可以通过IP地址访问远在天边的网站,那么数据是如何到达网站的呢？靠的就是路径上每个节点的路由。 路由，简单的说就是指导IP报文该去哪的指示牌。
一般说来，主机会在以下两个时机进行路由查询
- 1.收到报文时，查询路由决定是上送本机(LOCAL IN)，或者从哪个出接口转发(FORWARD)
- 2.本机发送报文时，查询报文出接口 注意，转发需要开启 net/ipv4/ip_forward
路由表长什么样 以一个典型的主机为例，tristan有一个外部网卡enp1s0和一个内部还回网卡lo
通过route -n我们可以看到主机上简要的路由表信息(当然通过ip route也可以)，那么上面的路由信息中的每一表项代表什么意思呢？
- 如果报文的目的IP地址在164.69.136.0/24这个网段，那么它应该从enp1s0进行转发。
- 如果报文的目的IP地址在169.254.0.0/8这个网段，那么它应该从enp1s0进行转发。
- 其他情况下(0.0.0.0/0)，报文从enp1s0转发，下一跳IP地址是192.168.99.254
IP转发
当主机收到一个数据报时，首先检查目的地址：
- 如果是自己（自己某一个接口所配置的IP地址或IP广播或者组播地址），则交给协议字段或者IPv6头部的下一个头部字段指定的协议模块处理。
- 如果不是：
- 如果IP层被配置为路由器，则转发该数据报。
- 否则默默丢弃，必要时生成ICMP报文给发送者。
转发不会改变数据报的IP地址，只是通过设置链路层地址来完成交付的过程：
- 发送者定义好源IP和目的IP，如果目的IP不在本地，则将链路层的目的MAC地址设置为路由器，由路由器代为转发。
- 每一跳路由器在转发时，都会将源MAC地址设置为自己，目的MAC地址设置为下一跳路由器。
IP地址介绍
ip地址组成 : IP地址由4部分数字组成，每部分数字对应于8位二进制数字，各部分之间用小数点分开 这是点分2进制 如果换算为10进制我们称为点分10进制.每个ip地址由两部分组成网络地址(NetID)和主机地址(HostID).网络地址表示其属于互联网中的哪一个网络，而主机地址则表示其属于该网络中的哪一台主机.
A类地址:范围从0-127，0是保留的并且表示所有IP地址，而127也是保留的地址，并且是用于测试环回用的。因此 A类地址的范围其实是从1-126之间。 如：10.0.0.1，第一段号码为网络号码，剩下的三段号码为本地计算机的号码。转换为2进制来说，一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”， 地址范围从1.0.0.1 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1千多万个主机（2的24次方的-2主机数目）。 以子网掩码来进行区别：：255.0.0.0 127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址，用做循环测试用的
B类地址：范围从128-191，如172.168.1.1，第一和第二段号码为网络号码，剩下的2段号码为本地计算机的号码。转换为2进制来说，一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机 。(2的16次方-2) 以子网掩码来进行区别：255.255.0.0 169.254.0.0到169.254.255.255是保留地址。如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，这时你将会从169.254.0.0到169.254.255.255中临时获得一个IP地址。
C类地址：范围从192-223，如192.168.1.1，第一，第二，第三段号码为网络号码，剩下的最后一段号码为本地计算机的号码。转换为2进制来说，一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。(2的8次方-2) 以子网掩码来进行区别： 255.255.255.0
D类地址：范围从224-239，D类IP地址第一个字节以“1110”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。 224.0.0.0-239.255.255.255 组播地址
E类地址：范围从240-254，以“11110”开始，为将来使用保留。 全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址。 240.0.0.0-255.255.255.254 保留地址
子网掩码就是为了区分ip地址的中的网络号和主机号的。
私有地址 所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址 在A类地址中，10.0.0.0到10.255.255.255是私有地址 在B类地址中，172.16.0.0到172.31.255.255是私有地址。 在C类地址中，192.168.0.0到192.168.255.255是私有地址。