1.IP协议

IP协议是位于TCP/IP协议五层模型中，网络层的主要协议，我们首先在1.1中了解其报文的格式，再在1.2、1.3中了解其主要工作。

1.1 报头格式

1）版本：由4比特构成，表示标识IP首部的版本号，当前只有两个取值——4和6（IPV4和IPV6），本篇文章主要讨论IPV4。

2）首部长度：由4比特构成，表明IP首部的大小，单位为4字节（32比特），其与TCP类似，都是可变的，实际的首部长度为60字节。

3）TOS：由8比特构成，用来表明服务质量。其实只有4位有效，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。这四种状态在同一时刻只能取一种状态。

4）总长度：由16比特位表示IP首部与数据部分合起来的总字节数，IP包的最大长度为65535，如果要构造一个更长的数据报，就需要实现分包组包这样的操作

5）标识、标志位、片偏移：IP协议通过这三个字段来实现分包组包这样的操作。

如下图，如果整个IP数据报太长了，IP协议就会把这个大包拆成多个小包，来保证每个包都不超过64k。

16位标识： 多个被拆分出的IP包，其16位标识相同

13位片偏移： 通过片偏移来描述多个包谁先谁后

3位标志： 仅一位有效，0表示还有后续包，1表示这是最后一个包。

小Tips：如何基于UDP实现分包组包呢？就是在应用层照抄IP的实现过程。

6）生存时间（TTL）：由8个比特位构成，表示一个IP数据报在网络上还能存在多久，这里的单位不是s或者ms，而是转发次数。

IP数据报被发送的时候，会有一个初始的TTL（例如常见的取值128或者64），IP数据报每次经过一个路由器，TTL就会-1，如果TTL减到0了，此时收到这个包的路由器就会把这个包给丢弃。（一些包里的IP地址是可能永远无法到达的，像这样的包不可能在网络上无休止的转发，这样将会占用太多硬件资源）

7）协议：由8个比特位构成，表示传输层使用哪种协议，TCP或者UDP都有不同的取值。

8）首部校验和：由16个比特位构成（2个字节），用来校验数据是否正确。

9）源地址、目标地址：也就是源IP（发件人地址）和目的IP（收件人地址）。

对于IPV4来说，一个IP地址本质上是32位的整数，通常会使用“点分十进制”这样的方式来表示这个IP地址，通过三个点把32位整数分成4个部分，每个部分1个字节，每个部分的取值就是0~255。

1.2 地址管理

1.2.1 IP地址

IP地址是一个点分十进制构成的数据，其分为两个部分：

网络号（局域网的标识，描述当前的网段信息）和主机号（区分了局域网内部的主机）。

要求同一个局域网内，主机之间的网络号是相同的，主机号不能相同

两个相邻的局域网（同一个路由器连接的），网络号不同

1.2.2 子网掩码

在譬如192.168.0.5这样的IP地址中，一定是前三个字节为网络号吗？其实是不固定的。

通过引入“子网掩码”这样的概念来表示前多少个bit位为网络号。

子网掩码也是一个32位，由点分十进制表示的整数，在子网掩码中，左侧都是1，右侧都是0（不会1、0混着排列），左边的这些1就表示哪些位是网络号，剩下的0就表示哪些位是主机号

1.2.3 特殊IP

1）IP的主机号全为0，该IP就表示网络号（局域网里的一个正常设备，主机号不能设为0）

2）IP的主机号全为1，该IP就表示“广播地址”，往这个广播地址上发的消息，在整个局域网中都能收到。

3）IP地址是127开头的，都表示“环回IP”，表示主机自己，例如典型代表：127.0.0.1

4）IP地址是10开头，192.168开头，172.16~172.31开头，表示该IP地址是一个局域网内部的IP（内网IP），除此之外，剩下的IP称为外网IP（直接在广域网上使用的IP）

要求外网IP一定是唯一的，每个外网IP都会对应到唯一的一个设备，内网IP只是在当前局域网中是唯一的，不同的局域网里可以有相同的内网IP设备。

1.2.4 IP地址不够用？

IP地址表示在一个网络上的唯一位置，IPV4协议中使用的IP地址是32位的整数，32位能表示的数据范围为42亿9千万，如果给每个设备都分配一个唯一的IP地址，世界上的设备肯定无法都获得唯一IP，如何解决这个问题呢，有以下三种方式：

1）动态分配IP地址：让每个设备在连上网的时候才有IP，不联网的时候就没IP（这样这个IP就可以供其他人使用），但是这个方案治标不治本。

2）NAT机制：让多个设备共用一个IP（外网IP）

把网络分成了外网（广域网）和内网（局域网），要求外网IP必须表示唯一的设备，同时内网中的若干个设备，可以共用一个外网IP，这样每个外网IP都可能表示很多个设备，IP地址的压力就得到了缓解。

NAI机制将IP分成了外网和内网，也隐藏了一个重要结论：

对于一个外网IP，可以在互联网的任意位置都能访问到

但对于一个内网IP，只能在当前局域网内部访问到（也就是说局域网1的设备不能使用内网IP来访问局域网2的设备）

这个方案也并没有真正的解决IP地址不够用的问题。

3）IPV6：IPV6在报头中使用了一个更长的字段（16个字节，128位）来表示IP地址，而在IPV4中只是4个字节，32位；通过这样的方法，使得IP地址能表示的范围大了很多很多，号称IPV6可以给地球上的每个沙子都分配一个IP地址，是从根本上解决了IP地址不够用的问题。

但现在大多还是在用IPV4+NAT，而不是IPV6，这是因为IPV6与IPV4并不兼容，要想升级到IPV6就需要耗费资金。

1.3 路由选择

路由选择也就是规划路径，如果数据要想从一个设备传输到另一个设备，要先找出一条路，根据IP数据报中的目的地址，运输到目的地。

这个目的地址，如果当前路由器直接认识，就直接告诉你路了；但如果当前路由器不认识，就会告诉你一个大概的方向，让你走到下一个路由器的时候再看是否认识，依次往后走，其实也就离目标越来越近了，这时候总会遇到一个认识这个地址的路由器，于是就可以具体的转发过去了。

就像我们去外地旅游时想到达一个著名的景点（没有导航的情况下），我们先问问路人是否知道这个位置，如果知道，我们直接就去了；如果不知道，他会告诉你一个大致的方位，你先沿着这个方向走，等离目标地点近一些时再问路人，就会问到了。

2.以太网

以太网协议是数据链路层的主要协议。

2.1 以太网帧格式

目标地址、源地址：使用mac物理地址，在网卡出厂时就被写死了，mac地址做到了每个设备都是唯一的（每个网卡都是唯一的）

类型：该字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP

一般情况下为第一种，特殊情况下为后两种

帧尾（4字节）：帧尾的功能一般是校验，它是一个FCS或CRC算法实现的校验和。

2.2 认识MTU

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，不同硬件设备对应的数据链路层协议可能又不一样，MTU也就不同。

如果数据报超过了MTU，IP能够分包来解决，IP的分包其实不是给IP的报头64k准备的，更多的是为了适应数据链路层的MTU。

与MTU相关的概念还有一个是MSS，表示TCP在IP不分包的情况下，最多搭载多少载荷。

2.3 ARP协议

在传输一个IP数据报的时候，确定了源IP地址和目标IP地址后，就会通过主机「路由表」确定IP数据报下一跳。然而，网络层的下一层是数据链路层，所以我们还要知道「下一跳」的MAC地址。

ARP不是一个单纯的数据链路层协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议，通过ARP协议，建立主机IP地址和MAC地址的映射关系，来求得「下一跳」的MAC地址。

ARP报文并不是用来传输数据的，而是一个辅助信息，当设备启动的时候，就会向局域网中广播ARP报文，每个设备收到之后，都会给出一个应答，应答信息中就包含了自己的IP和MAC，发起广播的那一方，就可以根据这些回应，来建立起这个映射关系，求得「下一跳」的MAC地址。

3.两层协议的区别和关系

IP（网络层）和MAC（数据链路层）之间的区别和关系：

IP主要负责在「没有直连」的两个网络之间进行通信传输，而MAC的作用则是实现「直连」的两个设备之间通信。

举个栗子：

假如我们想要去一个很远的地方旅行，制定了一个行程表，其间需先后坐飞机、地铁、公交车才能抵达目的地，因此我们需要买飞机票、地铁票等。

飞机票和地铁票都是去往特定的地点的，每张票都只能够在某一特定限定区间内移动，此处的「区间内」就如同通信网络中的数据链路。

在区间内移动相当于数据链路层，充当区间内两个节点传输的功能，区间内的出发点就好比源MAC地址，目标地点就好比目的MAC地址。

整个旅游表就相当于网络层，充当远程定位的功能，行程的起点好比源IP，行程的终点好比目的IP地址。

如果我们只有行程表而没有车票，就无法搭乘交通工具到达目的地。相反，如果除了车票而没有行程表，也很难到达目的地，因为我们不知道该坐什么车，也不知道该在哪里换乘。

因此只有两者兼备，既有某个区间的车票又有整个旅行的行程表，才能保证到达目的地。与此类似，计算机网络中也需要「数据链路层」和「网络层」这个分层才能实现向最终目标地址的通信。

还有重要的一点，旅行中我们虽然不断变化了交通工具，但是旅行行程的起始地址和目的地址始终都没有发生改变。其实在网络中的数据包传输中也是如此，源IP地址和目标IP地址在传输过程中是不会变化的，只有源MAC地址和目标MAC一直在变化。