前言

IP（Internet Protocol，互联网协议）是互联网的核心协议之一，属于 TCP/IP 协议族的网络层（OSI 模型第三层），负责在不同网络之间实现数据包的路由和转发，是实现全球网络互联互通的基础。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、IP核心作用和功能

IP协议：提供一种有大概率将信息从A主机跨网络送到B主机上的能力，而TCP含有丢包等保证可靠性策略。
TCP/IP协议：将数据百分百可靠的，从A主机送到B主机。

基本概念：

• 主机: 配有 IP 地址, 但是不进行路由控制的设备;
• 路由器: 即配有 IP 地址, 又能进行路由控制（工作在网络层）;
• 节点: 主机和路由器的统称;

二、IP协议报头

• 4 位版本号(version): 指定 IP 协议的版本, 对于 IPv4 来说, 就是 4.
• 4 位头部长度(header length): IP 头部的长度是多少个 32bit, 也就是 length 4
  的字节数. 4bit 表示最大的数字是 15, 因此 IP 头部最大长度是 60 字节.
• 8 位服务类型(Type Of Service): 3 位优先权字段(已经弃用), 4 位 TOS 字段, 和1 位保留字段(必须置为 0). 4 位 TOS 分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于 ssh/telnet 这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于 ftp 这样的程序, 最大吞吐量比较重要.
• 16 位总长度(total length): IP 数据报整体占多少个字节.
• 16 位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果 IP 报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个 id 都是相同的.
• 3 位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要
  用到). 第二位置为 1 表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过 MTU, IP 模块就会丢
  弃报文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的话, 最后一个分片置为 0, 其他是 1. 类
  似于一个结束标记.
• 13 位分片偏移(framegament offset): 是分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值乘 8得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是 8 的整数倍(否则报文就不连续了).
• 8 位生存时间(Time To Live, TTL): 数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 每次经过一个路由, TTL -= 1, 一直减到 0 还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是用来防止出现路由循环
• 8 位协议: 表示上层协议的类型
• 16 位头部校验和: 使用 CRC 进行校验, 来鉴别头部是否损坏.
• 32 位源地址和 32 位目标地址: 表示发送端和接收端.
• 选项字段(不定长, 最多 40 字节): 略

三、子网划分

子网划分是 TCP/IP 网络中用于高效管理 IP 地址、优化网络性能的核心技术。它通过将一个大的 IP 网络分割为多个小的子网，实现网络隔离、减少广播域、提高地址利用率等目标。

IP 地址分为两个部分, 网络号和主机号

• 网络号: 保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
• 主机号: 同一网段内, 主机之间具有相同的网络号, 但是必须有不同的主机号;
  
• 不同的子网其实就是把网络号相同的主机放到一起.
• 如果在子网中新增一台主机, 则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致, 但
  是主机号必须不能和子网中的其他主机重复.

通过合理设置主机号和网络号, 就可以保证在相互连接的网络中, 每台主机的 IP 地址都不相同. 那么问题来了, 手动管理子网内的 IP, 是一个相当麻烦的事情.

1. 有一种技术叫做 DHCP, 能够自动的给子网内新增主机节点分配 IP 地址, 避免
   了手动管理 IP 的不便.
2. 一般的路由器都带有 DHCP 功能. 因此路由器也可以看做一个 DHCP 服务器.

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有 IP 地址分为五类, 如下图所示(该图出 自[TCPIP])。

• A 类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
• B 类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
• C 类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
• D 类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
• E 类 240.0.0.0 到 247.255.255.255

随着 Internet 的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请 B 类网络地址, 导致 B 类地址很快就分配完了, 而 A 类却浪费了大量地址;

• 例如, 申请了一个 B 类地址, 理论上一个子网内能允许 6 万 5 千多个主机. A 类地址的子网内的主机数更多.
• 然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况. 因此大量的 IP 地址都被浪费掉了. 针对这种情况提出了新的划分方案, 称为 CIDR(Classless Interdomain Routing):
• 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
• 子网掩码也是一个 32 位的正整数. 通常用一串 “0” 来结尾;
• 将 IP 地址和子网掩码进行 “按位与” 操作, 得到的结果就是网络号; • 网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类无关;
  

特殊的 IP 地址

1. 将 IP 地址中的主机地址全部设为 0, 就成为了网络号, 代表这个局域网;
2. 将 IP 地址中的主机地址全部设为 1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中
   相互连接的所有主机发送数据包
3. 127.*的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试,通常是 127.0.0.1

2.1 私有IP和公网IP

如果一个组织内部组建局域网,IP 地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet 上, 理论上 使用任意的 IP 地址都可以,但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址

• 10.*,前 8 位是网络号,共 16,777,216 个地址
• 172.16.到 172.31.,前 12 位是网络号,共 1,048,576 个地址
• 192.168.*,前 16 位是网络号,共 65,536 个地址包含在这个范围中的, 都成为私有 IP, 其余的则称为全局 IP(或公网 IP);
  
  一个路由器可以配置两个 IP 地址, 一个是 WAN 口 IP, 一个是 LAN 口 IP(子网
  IP).

• 路由器 LAN 口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
• 不同的路由器, 子网 IP 其实都是一样的(通常都是 192.168.1.1). 子网内的主机比
  IP 地址不能重复. 但是子网之间的 IP 地址就可以重复了.
• 每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营
  商路由器可能会有很多级, 最外层的运营商路由器, WAN 口 IP 就是一个公网 IP 了. - 子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将 IP 首部中的 IP 地址进行替换(替换成 WAN 口 IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的 IP 地址成为一个公网 IP. 这种技术称为 NAT(Network Address Translation，网络地址转换).
• 如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部
  署在一台具有外网 IP 的服务器上. 这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买.