IP协议

IP（Internet Protocol）协议是网络层最重要的协议，也是互联网中最基础、最重要的协议之一。IP协议负责在网络中传输(IP)数据包，它是网络通信的基础。

IP协议有两个主要版本：IPv4（Internet Protocol version 4）和 IPv6（Internet Protocol version 6）。IPv4是目前广泛使用的版本，而IPv6则是为了解决IPv4地址耗尽的问题而引入的新版本。

IP协议的主要作用和内容

寻址/路由

• IP协议定义了一种标准的方式来为设备在网络中分配唯一的标识地址，被称为IP地址。

• IP协议提供基本的路由概念和底层协议，包括基础路由功能。其实现主要是通过物理设备路由器，负责根据目标IP地址将数据包从源设备传递到目标设备。

分片（Fragmentation）/重组（Reassembly）

为了适应不同网络链路的大小限制，IP协议使用分片和重组机制来处理大于网络链路最大传输单元（MTU） 的数据包。该机制会在网络中带来复杂性和性能开销，因此在设计网络应用时应考虑MTU，尽量避免使用过大数据包，以减少分片和重组。

MTU（Maximum Transmission Unit）属于数据链路层的内容，MTU定义了在特定数据链路上传输的最大数据包的大小。

• 当原始数据包大小超过网络链路MTU时，源主机的IP协议将数据包分割成多个分片，每个分片都包含头部(其包含分片信息)且长度小于MTU
• 目标主机的IP协议接收到数据包分片后，通过其头部信息(根据标识和片偏移来识别和排序)，并进行重组后得到完整数据包。将数据包传递给上层传输层协议(TCP/UDP)

IPv4 数据包的格式

主要由 头部(Header)，数据(Payload) 构成

头部(Header)

• 版本（Version）：4位字段，表示IP协议的版本，IPv4为4。
• 头部长度（Header Length）： 4位字段，表示IP头部的长度，以32位字为单位。通常情况下，IPv4头部长度为20字节，但它也可以变化，因为IPv4头部可能包含选项字段。
• 服务类型（Type of Service）：8位字段，用于指定数据包的服务质量、优先级等信息。
• 总长度（Total Length）：16位字段，表示整个IPv4数据包的长度，包括头部和数据。
• 标识（Identification）：16位字段，用于标识数据包的唯一性，通常用于分片和重组。
• 标志（Flags）：3位字段，用于指示是否允许分片以及分片的情况。
• 片偏移（Fragment Offset）：13位字段，用于指示分片在原始数据中的位置。
• 生存时间（Time to Live，TTL）：8位字段，表示数据包在网络中可以经过的最大路由器数量，用于防止数据包在网络中无限循环。
• 协议（Protocol）：8位字段，表示数据部分使用的上层协议，如TCP、UDP等。
• 头部校验和（Header Checksum）：16位字段，用于检测头部的错误。
• 源地址和目标地址：每个32位字段，分别表示源IP地址和目标IP地址。
• 选项（Options）：可选字段，用于包含一些额外的信息。

数据(Payload)

一般就是上层传输层协议（例如TCP、UDP）负责传输的内容

IPv4地址

IPv4地址是由4个字节(每个字节8位)组成的32位的二进制数，通常用点分十进制表示为四个十进制数，每个数范围在0到255之间（例如，192.168.0.1）

传统的网络类别划分

该类别划分方式是在早期互联网发展制定的，目的是为了根据网络的规模和数量来分配IP地址，根据IP地址的最高位（即IP的第一个字节，即32位二进制表示中的最高的8位）来进行的划分。最高位也被称为地址的网络部分。

• A类地址：第一个字节的最高位是0(即01111111，实际分配中，0开头的网络地址是保留的，因此最大的网络地址是 01111110 十进制数为126)，地址范围从1.0.0.0到126.255.255.255。A类地址适用于大型网络，可以容纳很多主机。
• B类地址：前两个字节的最高位是10(即10111111)，范围从128.0.0.0到191.255.255.255。B类地址适用于中等规模的网络。
• C类地址：前三个字节的最高位是110(即11011111)，范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类地址适用于较小规模的网络。
• D类地址：前四个字节的最高位是1110(即11101111)，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。D类地址用于多播，即将数据发送到一组特定的主机。
• E类地址：前四个字节的最高位是1111(即11111111)，范围从240.0.0.0到255.255.255.255。E类地址是保留地址，用于实验和研究。

然而随着互联网的发展，实际的现代网络规划中，已经不再使用这种严格的传统的类别划分，而是采用了更加灵活的CIDR（无类域间路由） 和子网掩码划分方法。

子网掩码

为了让IP划分出更多的网络和主机，引入了子网掩码的概念，它能划分出一个IP地址(32位二进制表示)中的网络部分和主机部分。

子网掩码和IP一样为32位二进制表示，它用1和0的分布决定了IP地址的网络标识和主机标识，1表示网络部分，0表示主机部分 。

为了确保网络和主机部分的界限清晰，有效的子网掩码二进制中的1和0是连续排列的，不会出现交替的情况。

举个例子，例如子网掩码的二进制为11111111.11111111.11111100.00000000，即255.255.252.0，在32位中，有22位是1，10位是0。则表示IP地址的前22位是网络部分，后10位是主机部分。

CIDR（无类域间路由）

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）表示法是一种用于标识和分配IP地址的方法，它取代了传统的基于类别（Classful）的IP地址分配方式。CIDR允许更灵活、有效地分配IP地址，避免了传统A、B、C类地址划分的限制。

CIDR表示法的基本格式是：IP地址/前缀长度 ，其中IP地址表示一个网络的起始地址，而前缀长度表示该网络的网络部分的位数。

例如，192.168.1.0/24表示一个以192.168.1.0 为起始地址，网络部分有24位的网络。即前24位是网络部分，剩余的8位是主机部分。