TCP/IP协议之IP层

TCP/IP协议的结构参见下图。有应用层，运输层，网络层，链路层。

但是如果更细化的话，其实还有几层没在这上面体现出来。

1 表示层：数据格式化，代码转换，加密。 没有协议

2 会话层：解除或者建立与其他结点的联系。没有协议

3 物理层：以二进制形式在物理链路上传输数据。协议有ISO2100，IEEE802

在上图中加上这三层协议。就构成了OSI七层协议网络模型。从上到下分别是应用层，表示层，会话层，传输层，网络层。数据链路层，物理层。

为什么一个数据传输要分成这么多层呢。统一为一个模块不行么。其实不管是多层还是单层，都是可以实现数据传输的。但是在OSI7层模型中，每一层都有自己独特的任务。如果如果只有一层的话。在后期维护的时候，就会出现混乱。没有一个明确的责任主体

这就好比是一个工厂。工厂有生产线，采购部，质量部，运输部，财务部，市场部。对一个产品从无到有的过程中，会经历以上部门的处理。如果有任意一个节点出了问题，只需要处理问题节点即可，其他节点照常运行。OSI7层模型也是一样的道理。各个层可以看做是生产流水线上各个部门。各司其职，各自负各自的责任。这也体现了分工协作的思想。

那么7层模型中各自的作用是什么呢：

应用层：文件传输，电子邮件，文件服务，聊天软件，视频播放等各种软件应用。常用的协议有FTP,TFTP,SNMP,SMTP,DNS,Telent. 作用在于产生数据报文

传输层：协议有TCP,UDP，是对数据报文在链路上传输进行控制的. 作用在于告诉数据报文如何去目的地

网络层：协议有IP,ICMP,RIP,OSPF,BGP等。是对数据报文进行地址寻址的协议。作用在于告诉数据报文去哪

数据链路层：协议有ARP,RARP,PPP等，作用在于告诉数据报文如何在路上行走。

我们来看下报文的结构，从应用层到链路层，每一层对自己的数据进行一个打包，交给下一层进行处理。最终形成一个以太网帧。

到了目的地后，对端也是从链路层解析到应用层，然后解析出来的数据交给各层进行处理，如下图。

这种封装，解封装的过程就好比是发送一个公司给另外一个公司发送包裹。源公司的各个部门将自己的数据封装好，最终形成一个总的包裹，目的公司收到包裹后，按照包裹的封装各层解析，然后交给各个对应的部门

 

那么下面我们就首先来介绍下IP层协议。

将IP层协议首先介绍IP地址的概念。IP地址在网络上的作用就好比我们在快递物品时填写的地址。每个设备要想在网络上进行应用交互或者是和其他设备通信，都需要一个IP地址。那么我们的IP地址在哪能查呢。

Windows系统下在cmd界面输入ipconfig。得到下面的结果。其中IPV4地址就是本机的IP地址。

Linux系统下输入ifconfig

在查询出来的信息中，有几个概念需要介绍下。1 子网掩码。2 默认网关。

IPV4地址为32bit,分为两个部分，网络号和主机号。为什么要这样区分呢。前面讲到IP协议的作用就在于寻址，这个寻址就是寻找不同网络的地址。网络地址就是由IP地址的网络号确定的，不同的网络号代表不同的网络地址。如果属于同一网络，那么主机号就是区分同一网络下的设备。就好比有一栋楼，这栋楼的业主要寄包裹。那么地址如下：

XX市XX区XX街道XX小区XX栋Y-Y号。前面红色标注的地址每个业主都一样。不一样的是具体门牌号。红色标注的地址就好比IP网络中的网络地址，Y-Y号就好比主机地址。

IP地址的格式如下，分为A-E类地址。A-E类地址通过最左边的比特来确定。A类为0，B类为10，C类为110，D类为1110，E类为11110.。 后面的部分就区分为网络号和主机号

前面介绍了IP地址的作用，那么网络掩码是干嘛的呢。网络掩码就是用来区分IP地址的网络号以及主机号分别是多少。计算的方法就是IP地址和网络掩码进行与运算，得到的就是网络地址。

比如192.169.1.1的二进制位11000000 10101001 00000001 00000001

掩码255.255.255.0的二进制位 11111111 11111111 11111111 00000000

得到的网络地址就是192.169.1.0。那么主机号就是最后的1个字节（8个bit）。那么在这个网络下主机IP地址的范围就是192.169.1.1->192.169.1.254。其中192.169.1.0是网络号，主机地址不会采用。192.169.1.255是该网络的广播地址。因此主机号的bit为全0 或者全1都不会采用. 因此可分配的主机个数为2的n次方(n为主机号的bit个数)-2. 参考上面的这个例子，主机号长度为8. 那么可分配的主机个数为2^8-2=256-2=254。

前面A-E类IP地址的网络号和主机号都是固定的，对于具体的网络部署来说并不是很方便，我们可以自己定义网络号和主机号。也就是自定义网络号和主机号的长度。这叫做变长子网掩码。比如刚才的192.169.1.1的网络号是192.169.1.0. 我们也可以写成192.169.1.1/24. 这个24表明的是网络长度。这样写的话就比较直观了。那么边长子网掩码就是改写这个长度，比如192.169.1.1/20 那么网络号就只占20位。结果如下.由于网络号只占了20位，因此主机IP地址长度从8扩展为12. 那么可分配的主机号就为2^12-2=4094。

因此如果想一个网络容纳更多主机，那么可以缩短网络号长度。如果想规划更多的子网，那么可以增加网络号长度

下面再看下网关的含义：顾名思义，网关就是网络关口的意思。通俗点说就是告诉网络下一个地址是在哪。比如前面查出来的网关为192.168.0.1，IP地址为192.168.0.5。 也就是说首先将数据包发给192.168.0.1. 这个192.168.0.1在真实的环境中就是我的无线路由器。连接到到这个无线路由器下的设备都将数据包发送给路由器。然后通过路由器向外转发。

那么网关是否是必须要配置的呢，其实也不是，只要是L3设备可以通过配置路由和下一跳，这里下一跳就是起到网关的作用。数据发到网关设备后，网关设备会根据自己的路由表找到转发路径将数据转发到目的地址。我们可以用tracert(linux下用traceroute)的命令来看下，比如输入tracert www.sina.com.cn 就会得到下面的经过的地址。第一个地址就是192.168.1.1网关地址。下面显示总共经过了8次转发。

Windows:

Linux:

下面我们来看下IP协议的组成，IPV4中普通的IP首部长20个字节。其中有32位的源IP地址和32位的目的IP地址。

TTL：生存时间。代表了数据包可以经过的最多路由器数。比如TTL为10，意思是如果经过10次路由器转发，仍然未找到目的地址，则报文丢弃

8位协议指示的是传输层承载的协议

16位总长度：指IP数据包的最大长度。16bit那么最长可达65535字节。但是通过链路的MTU不会有这么大。因此如果数据包长度超过了MTU，数据包会被分片。如果发生了分片，则需要用到16位标识以及13位片偏移来找到分片的报文。

我们用wiresharK来抓取一个具体的数据包看下IP报文：其中Time to live:128也就是TTL 128.

Protocol: UDP，说明这个是一个UDP报文。 Source和Destination分别是源和目的IP地址