网络层协议之IP协议全了解！

IP协议

• IP协议的原理是什么？
• IP协议和IP地址有什么关系？
• IP协议的首部是怎么样的

1.1 IP协议概述

无连接、不可靠

IP协议（Internet Protocol，互联网协议），是TCP/IP协议栈中最核心的协议之一，通过IP地址，保证了联网设备的唯一性，实现了网络通信的面向无连接和不可靠的传输功能。

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1.2 IP协议原理

如上图所示，当多台接入互联网的设备访问同一台服务器的时候，服务器如何区分不同电脑的请求，并且准确的将资源返回？

我们只要给每个设备加上一些“标识”，并且在通信的时候，将“标识”嵌入到数据包里，则整个数据往返过程可以准确无误。

我们给PC和服务器加入IP地址，并且以PC1访问服务器为例：

PC1的IP地址为12.1.8.66,Server的地址为8.8.8.8，那么整个通信过程应该是这样的📞：

1. PC1在请求数据包里封装了源IP地址和目的IP地址，并将带有IP地址信息的数据包发送到互联网。
2. 在互联网中有大量的网络通信设备（路由器等），路由器根据数据包中的IP地址查找路由表（Map），然后以接力的形式，将数据包逐条转发至目标服务器。
3. 服务器接收到请求数据包之后，将源IP地址和目的IP地址翻转，并封装回应数据包发送到互联网。

上面这个通信过程类似于我们平时的寄信✉：

1. 寄信时需要在信封中填写发件人和收件人的姓名和地址，然后将信件塞入信封中。
2. 邮政公司根据信封中的收件地址，通过物流平台（飞机、货车）将信件跨省市传输，直至收件人城市。
3. 送信员找到对应的收件人所在的小区地址，然后联系收件人，将信件交付到收件人手中

在寄信过程中，信封相当于IP地址，整个信件相当于数据包，邮政公司|送信员相当于路由器|交换机。

通过以上的案例我们可以明确以下知识点：

1. IP协议通过提供IP地址，将IP地址夹带在通信数据包中，为路由器指明通信方向。
2. IP协议仅仅指明数据包的源目通信方，但是并不能保证数据包一定能够送达，数据是否被丢弃以及丢弃后如何处理。（所以IP协议是面向无连接的不可靠传输功能）（TCP协议可以解决P协议的缺陷）

当然，IP协议不仅仅只有”导航“功能，他还能防止数据包环路，为数据打上重要或不重要等标签实现流量控制、能验证数据包是否损坏、能实现数据包分片和组装功能；而要深入学习这些功能，必须掌握IP头部的封装格式。

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1.3 IP协议头部

以下是对某一数据包的抓包结果：

我们可以看到IP头部默认有12个字段：

1. Version（版本号）：标识IP协议的版本，目前V4版本地址已经枯竭，V6慢慢成为主流。
2. Header Length（头部长度）：默认为20字节，最大为60字节。
3. Differentiated Services Field （服务区分符）：用于为不同的IP数据包定义不同的服务质量，一般应用在QoS技术中。
4. Total Length （总长度）：标识IP头部加上上层数据的数据包大小，IP包总长度最大为65535个字节。
5. Identification （标识符）：用来实现IP分片的重组，标识分片属于哪个进程，不同进程通过不同ID区分。
6. Flags（标志符）：用来确认是否还有IP分片或是否能执行分片。
7. Fragment offset （分片偏移量）：用于标识IP分片的位置，实现IP分片的重组。
8. Time to live （生存时间）：标识IP数据包还能生存多久，根据操作系统不同，TTL默认值不同，每经过一个三层设备如路由器的处理，则TTL减去1，当TTL=0时，则此数据包被丢弃。
9. Protocol （协议号）：标识IP协议上层应用。当上层协议为ICMP时，协议号为1，TCP协议号为6，UDP的协议号为17。
10. Header checksum （头部校验）：用于检验IP数据包是否完整或被修改，若校验失败则丢弃数据包。
11. Source（源IP地址）：标识发送者IP地址，占用32bit。
12. Destination （目的IP地址）：标识接收者IP地址，占用32bit。

了方便记忆，可以总结为7个核心知识点：

1. Source和Destination即IP源目地址字段，是IP协议最核心的字段；
2. Id+Flags+FO三个字段可以实现IP数据分片和重组；
3. Total Length和Header Length标记IP头部和上层数据的边界；
4. TTL生存时间字段可以实现通信防环；
5. DSCP服务区分符可以实现流量控制；
6. Checksum字段可以数据包完整性校验；
7. Protocol字段标记上层应用；

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1.3.1 length长度字段解读

划分界限

长度字段在大部分的协议里都会出现，例如TCP、UDP、IP协议，为了就是”划分界限“--->规定哪里是头部，哪里是数据。

由上图可知，IP协议的头部是20字节（默认为20字节，最长可到60字节），Total Length在这里表明是100字节，那么数据部分则是100-20=80字节。

那么这个头部和数据之间的界限有何用处？👇

当收到数据包之后，无论是电脑/手机还是其他联网设备，网卡模块会对数据包进行拆分、修改IP头部信息、重新进行数据封装等操作，如果没有"这条线"，那就可能会"越界"，一旦"越界"，则数据包内容可能损坏，

我们看下面这张图片👇

当没有长度字段或者长度字段标识错误时，网卡在进行头部剥离的时候，错误的把数据部分划分到头部里面，这就会导致右边的数据部分完整性被破坏，接收方最终收到的就是一个损坏的数据包。

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1.3.2 TTL生存时间字段解读

实现通信防环

TTL（Time to live）即生存时间，用于标识IP数据包"还能存活多久"，这个生存值在发送方发送数据时便设置好了。不同电脑/操作系统的初始TTL是不同的，并且TTL值可以修改。

TTL值占用8个bit位，所以最大值是255（二进制11111111）

上图所示👆，IP数据包每经过一个路由器或者其他三层设备时，TTL就会被减去1，当TTL=0的时间，就代表这个数据包已经”死亡“，此时路由器便会向源发送者返回一个”TTL Exceed“的ICMP报错包。

TTL一个重要的功能就是实现通信防环，那么何为防环❓请看下图👇：

​ 我们知道，路由器会将数据包以接力的形式逐条传递，很多时候，由于工程师的疏忽，或者因为网络拓扑结构的复杂性，会出现一些Bug环境，例如上图便是一个经典的”环路拓扑“，由于网络设备之间存在的环路”Loop“，所以数据包一直里面饶起来，而不是发送到最右边的服务器。

​ 如果没有TTL，那么这个数据包将会一直存在于链路中，这样不仅占用网络带宽，并且浪费设备的处理器资源，严重的时候将会拖垮其他人的正常通信。

​ 所以，当IP数据包加入TTL值之后，即便网络拓扑存在环路设计，当数据包被转发到TTL为0的时候，网络设备也可以直接丢弃，以此解决环路带来的危害。

但是TTL仍然是一种“被动式”的解决环路的办法，真正要解决环路，还需要从网络设计和协议设计的角度切入。

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1.3.3 DSCP字段解读

DSCP服务区分符可以实现流量控制

"VIP” 待遇

DSCP（Differentiated Services Field） 即服务区分符，用于为不同的IP数据包定义不同的服务质量。DSCP的前身叫做TOS（Type of Service，服务类型）。不管是TOS还是DSCP，它们都是QoS服务质量里面的技术实现。

如上图所示👆，当PC1和PC2两个用户同时访问互联网时，由于数据包采用不同的DSCP值，不同的值代表了不同的优先级，例如这里的AF11和EF，可以看成一个是普通等级，一个是VIP等级，此时VIP等级自然要优先被转发。

应用场景：在企业网中，网络运维人员可以为核心数据流采用高优先级的DSCP值，为其他普通的例如BT下载流量采用最普通的优先级。在运营商网络里，可以根据客户购买的不同专线服务，采用不同的DSCP值。

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1.3.4 Checksum字段解读

实现数据完整性校验

checksum校验字段跟长度字段类似，存在于很多协议里面，用于实现数据完整性校验。

不同协议采用的方法有差异，例如IP协议的checksum值只校验IP头部，不包括数据部分，而TCP和UDP的校验则包括数据部分。

例如PC1发送IP数据包（含checksum1）给PC2，PC2拆开IP头部，然后进行校验计算（checksum2），若校验没问题则接收并处理，若检验有问题则丢弃。注意，这里采用的是校验算法，不是简单的相同对比。

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1.1.3.5 Protocol字段解读

协议号

ICMP、TCP、UDP所对应的Protocol协议号👇：

ICMP	TCP	UDP
1	6	17

无论是IP协议的Protocol字段，还是Internet以太网协议里面的Type字段，又或者是TCP/UDP协议里面的Port字段，这些字段的功能都是用于标识上层协议或应用。例如，ICMP协议号为1，TCP协议号为6，UDP的协议号为17。

那么，在IP协议里面加入协议号标识传输层协议，意义何在❓

通过上面这张图我们可以看到，若PC1 PING PC2，则此时会采用ICMP协议，而ICMP协议对应的协议号是1。当PC2收到这个数据包时，拆开IP头部，则会看到协议号，根据协议号调用对应的上层协议或应用来进行上层数据处理。

以这里例子来看，若PC2采用TCP或UDP来解开ICMP数据包，则无法正常解析，好比用word程序要打开一部mp4电影，肯定会有故障。而如果这里PC2根据协议号为1，调用ICMP协议来处理ICMP数据包，则可以正常解读并返回回应包。

所以，协议号（Protocol）、端口号（Port）、类型值（Type）这些的功能都是：标记上层协议/应用，告诉接收方，有正确的协议/应用来打开这个数据，功能相当于电脑文件的后缀名，告诉电脑用哪些应用程序来打开对应的文件。

参考资料：

• 《TCP/IP》图解
• https://blog.51cto.com/chenxinjie/1970704

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