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一，关于IP
1.1 什么是IP协议
IP协议的本质工作：提供一种能力，将数据从A主机跨网络送到B主机。
用户需要的是：提供一种能力，将数据“可靠地”将数据从A主机跨网络送到B主机；按照现在的网络，将数据成功送过去的概率很高，但不是100%，所以传输层提供策略，下层提供能力，两者结合就能保证“我”每次都能考满分。
1.2 前置认识
数据发送的过程中会经过很多路由器，就好比我们网络基础1的旅游的例子
- 要对所有的主机进行标识，用源ip和目的ip来标识源主机和目的主机；IP分为私有IP和共有IP
- 旅游的例子，我们要先去故宫，得先去北京：“去目标城市，去目标地点”；唐僧要去西天的大雷音寺，拜见佛祖求取真经：“西天就是目标城市，大雷音寺就是目标地点，但是到了目标地点还不够，还得通过端口找到佛祖这个进程，然后交数据”
我们处在一个精心设计的世界中，你有身份证号，上学时有学号，上班时有工号，但是我们学号不是单纯的数据，是有格式的：学号 = 年纪编号 + 学院编号 + 专业编号 + 班级编号 + 学号03
我们把我自己的学院编号叫做源IP地址，把要归还的校园卡的学校叫做目的IP，我的群叫做局域网主机，把主席叫做局域网出口路由器，把主席群叫做公网，像这样一个一个群，就能提高效率，因为一次可以排除很多东西
IP协议意义：构建网络的时候，为我们将来定位一台主机，提供基础保证。
二，IP报头字段详解
- 真实报头长度 = 4位首部长度（假设是x） * 4，范围为[0000, 1111]，换成十进制就是[0, 15]
- 标准报头长度为20字节，那么x就是5，首部长度就是[5, 15]，就是[20, 60]字节之间，这和Tcp是一模一样的
- 代表报文总长度，所以报文长度 = 固定长度报头 + 自描述字段，
- 有效载荷长度 = 总长度 - 固定长度报头，就能将有效载荷和报头分离
- 这个是固定死的，对于IPv4来说就是4
- 但是现在有个问题，ip地址是32位，也就是42亿个，现在入网设备太多了，面临着“IP地址不足”的问题
- 解决方法有很多，NAT，还有IPv6，其中IPv6相当于新的协议了，它用128位来标识，IPv6和IPv4不兼容，IPv6我国最强大，主要用在国内内网，IPv4主要用在公网，这个我们后面讲运营商在讲，现在默认认为是4
- 丢包问题是无法解决的，这4个选项是为了在进行数据包转发时，给路由器提供转发依据的，提高可靠性，了解一下即可
- 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
- 数据每经过一个路由器就是一次转发，但是网络太大了可能出bug，而且接收方可能会挂掉无法接收数据，那么IP报文会被无限转发，这种报文称为流离报文
- 所以我们给每个报文设置一个生存时间，表示该报文在转发的时候能经过的路由器的跳数，每经过一个路由器，生存时间就 -=1，如果为0时，路由器直接丢弃报文
- 指的就是我们要把IP的有效载荷交付给上层的哪一个协议
- 下层分离报头和有效载荷后，根据8位协议将有效载荷交付给上层的指定协议
- 我们以前在进行socket套接字编码的时候，要求填充 ip + port，现在可以认为：我们在应用层要把点分十进制的ip字符串转化成4字节的ip是为了填充报头的这两个内容的，而32位源IP和32位目的IP是提供给路由器让它进行路径选择的
- Tcp只存在操作系统上，在各路由器中是没有Tcp层的
- 只有通信双方主机具有Tcp层，因为所有路由器只工作在网络层。（路由器可能有Tcp，但是不用）
三，网段划分
3.1 IP地址的构成
- 路由器本质也是一个特定子网的主机，所以路由器它自己也要配置IP地址和主机号
- 路由器实现转发，那么路由器要连接至少两个局域网/子网，所以路由器也一定要配置多个IP地址和主机号 --> 原因：路由器有多张网卡
- 路由器一般是一个子网中的第一台设备，它的IP地址一般都是“网络号.1”
- 路由器的核心功能是IP报文的转发，但是路由器的功能不仅仅如此，比如构建局域网/子网，子网中的主机的IP就是路由器分配的，这个后面公网IP和私有IP再将讲
- 内网IP：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；并且路由器里面也有操作系统的，所以路由器会对子网IP做管理（DHCP协议）
3.2 网段划分
IP分为网路地址和主机地址，曾经提出的划分这两个地址的方式，是把IP地址分为5类，称之为分类划分法：
各IP地址的取值范围如下：
- 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
但是随着网络发展，这种划分方式问题很快出现：
- 大多数组织都申请的B类网络地址，导致B类网络地址很快就被分完了
- 所以A类浪费了大量的地址，而且每一个子网中的主机号也很难全部用完，例如，申请一个B类地址，理论上一个B类子网能构建6万5千多个主机IP，A类的更多，但是实际上一个子网不会有这么多主机，因此大量的IP被浪费掉了
- 所以网络的研究员针对性地提出了一种划分方案：CIDR
3.3 子网划分
注意：该方法是针对上面五种IP的类类型提出的，因为可以看到有些IP地主机号太多了，实际情况下不需要这么多主机，所以需要将主机号减少，减少IP的主机数，就能划分出更多子网，减少IP地址浪费
有了CIDR之后，一个网络就被更细粒度地划分成了一个个更小地子网，这样IP地主机号就越来越小，就可以减少IP地址被大量浪费，下面是具体步骤：
- 比如在某个子网中，将IP地2前24位作为网络号，那么该网络地子网掩码地32个比特位中前24位就是1，后面8位就是0，每8位以点隔开，最后就是255.255.255.0
- 假设子网中有一台主机192.128.128.0，那么将这个IP与掩码进行“按位与（&）”计算后，就是192.168.128.0，就是这个子网对应地网络号
- 子网掩码，可以对32位IP进行任意划分，为了书写方便，我们一般把子网掩码这样表示：192.168.128.0 /24，“/24“ 表示整个IP地址当中前24个比特位位1，后面8个为0
3.4 IP地址不足问题
CIDR虽然一定程度上缓解了IP地址浪费的问题，但是没有增加IP地址的绝对上限，仍然不是很够用，所以有下面三种解决方法：
- 动态地址分配：只给接入网络的设备分配IP地址，因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的，简单来说就是路由器发放和回收IP，在校园网中，我们在宿舍，教室和图书馆接入的校园网，每次的IP都是不相同（共享IP，你要用就给你，不用或用完了还给我）
- NAT技术，后面介绍
- IPv6：不是IPv4的升级版，是真正变革性的技术，与IPv4毫不相干，是两种不同的协议，用128字节表示一个地址，但是IPv6还没有普及
四，公网IP和私有IP
如果一个组织内部组件局域网，在这个局域网内，IP地址只用于局域网内地通信，而不直接连接到公网上，理论上使用任何IP都可以，但是为了规范，RFC 1918 规定了用于组件局域网地私有IP地址：
- 10.* ，前8位是序列号，共16777216个地址
- 172.16.*到172.31.*，前12位是网络号，共1048576个地址
- 192.168.*，前16位是网络号，共65536个地址
包含在上面三个范围中地，都成为私有IP，其余地都是公网IP，我们连接云服务器时，连接的这个IP就是云服务器地公网IP：
同时，我们也可以通过ifconfig这个命令来查看我们这台机器私有IP：
在我们Windows的cmd控制台上输入ipconfig命令，也可以看到大量以192.168开头的私有IP：
在我们的使用生涯中，我们从一开始使用的IP其实都是私有IP，在云服务器中才接触到公网IP
五，理解运营商和全球网络
六，路由
主机A要把数据发给主机B，是要先根据目标IP，经过路由完成转发，实际是一跳一跳转发的
我们可以查看当前主机的路由表：
IP数据包的传输过程中会遇到很多路由器，每当数据包到一个路由器后，路由器会查看该数据的目的IP地址，并告知数据下一跳该往哪跳
我们查路由器表，会有下面四种结果：
- 路由器不知道下一跳要去哪（这种情况基本不会发生，如果发生就是该路由器没配置好，算法设计有问题。）
- 给你转到下一跳
- 路由器不清楚，但是会给我们转入默认路由
- 已经到达目标局域网的入口路由器
对于转入默认路由，一般是“同网段的另一台路由器”，但是一个子网一般只有一个路由器，所以我们连接的路由器一般都是子网IP对应的1号路由器，如果我判断一个报文的目的IP不是我这个子网的，所以直接交给下一跳
七，IP报文的分片与组装
实际上在一台主机上，报文并没有通过网络层直接发出去，而是继续交给了自己的下一层协议（数据链路层，属于网卡的驱动层，还有物理层），数据链路再去转发给路由器或者同一个网段的主机。
但是数据链路层，无法一次发送过大的报文，所以就要求上层不能给我交付过大的报文。
ifconfig命令可以查看当前协议栈的一些信息，其中上面红框框的 mtu 表示当前的数据链路层的MAC帧一次最多发送1500字节的数据，这个数据包括IP的报头和IP的有效载荷
但是，如果一个报文超过1500字节，但是又数据链路层又不得不发，这时候就会对报文进行分片， 而且既然有分片，那么必定有组装，所以就要求IP报头里包含分片组装的相关信息：
- 其中16位标识就是IP报文的编号，分片之后的IP报文编号是相同的
- 对于3位标志位字段，第二位为0，标识允许切片，第三位用来结束标记，表示当前是否是最后一个小片，是的话为0，不是为1
- 对于13位偏移，假设一个报文都分成了很多片，这个偏移量表示这个小片在原来的大报文里的偏移量，用于组装报文
- 对于分片后的每个IP报文，都会重新添加IP报头的
