IP 协议作用
在计算机网络的分层模型中，网络层主要负责数据在不同网络之间的传输和路由，确保数据从源节点传递到目标节点。IP协议（Internet Protocol，互联网协议）是网络层最重要的协议之一，它提供了数据包的逻辑寻址、分片与重组、路由选择等功能。
IP 协议的基本功能
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逻辑寻址（Logical Addressing）：
- IP协议提供了IP地址，这是数据在网络中传输的标识符。每个网络中的设备都通过IP地址进行标识，数据包通过目标IP地址传输到目标设备。
- IP地址具有层级结构，支持路由选择。
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路由选择（Routing）：
- 路由器根据IP地址和路由表决定数据包的转发路径。数据包从源设备出发时，经过多个路由器的转发，最终到达目的设备。
- IP协议负责将数据包从一个网络传输到另一个网络。
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分片与重组（Fragmentation and Reassembly）：
- 如果数据包过大，超出了某个网络的最大传输单元（MTU），IP协议会对数据包进行分片，每个分片都会包含源地址和目标地址，确保分片能够顺利到达目的设备。
- 目的设备接收到所有分片后，将它们重新组合为原始数据包。
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无连接（Connectionless）：
- IP协议是无连接的，这意味着数据包在传输过程中没有建立连接的概念。每个数据包都是独立的，路由器在转发时不会维护状态信息。
- 如果数据包丢失或出现错误，IP协议不会自动重发或纠正，通常依赖于传输层的协议（如TCP）来处理这些问题。
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不可靠性（Unreliable）：
- IP协议不提供错误检测与纠正的功能，它仅仅负责数据包的传输和路由。数据包传输过程中可能发生丢包、重复或错误，可靠性由上层协议（如TCP）保证。
IPv4 协议详解
1. IPv4 地址
IPv4使用32位地址表示，通常以四组十进制数表示，每组数字用“.”分隔，如 192.168.1.1。每组数字的范围是0到255。IPv4地址分为以下几类：
- A类地址：1.0.0.0 到 127.255.255.255，支持16,777,214个主机。
- B类地址：128.0.0.0 到 191.255.255.255，支持65,534个主机。
- C类地址：192.0.0.0 到 223.255.255.255，支持254个主机。
- D类地址：224.0.0.0 到 239.255.255.255，用于组播。
- E类地址：240.0.0.0 到 255.255.255.255，保留地址，通常不用于公共网络。
IPv4地址还包含子网掩码（subnet mask），用于确定网络地址和主机地址的边界。
2. IPv4 数据包结构
IPv4数据包由头部和数据部分两部分组成：
- IP头部：用于数据包的路由、识别、差错检测等。
- 数据部分：即需要传输的上层数据。
IPv4头部格式
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 版本（Version） | 4 位 | 表示IP协议版本，IPv4为4。 |
| 首部长度（IHL） | 4 位 | 表示IP头部的长度，单位为4字节，最小值为5，最大值为15。 |
| 服务类型（ToS） | 8 位 | 用于指定数据包的服务质量（QoS），通常不常用。 |
| 总长度（Total Length） | 16 位 | 数据包的总长度，包括IP头部和数据部分。最大值为65535字节。 |
| 标识（Identification） | 16 位 | 用于唯一标识数据包，尤其在数据包分片时用于重组。 |
| 标志（Flags） | 3 位 | 控制数据包分片的行为，最重要的标志是“是否允许分片”。 |
| 片偏移（Fragment Offset） | 13 位 | 分片的相对偏移量，单位为8字节。 |
| TTL（Time to Live） | 8 位 | 限制数据包在网络中的生命周期（即跳数），避免数据包在网络中无限循环。 |
| 协议（Protocol） | 8 位 | 指示数据部分使用的上层协议（如TCP=6、UDP=17、ICMP=1）。 |
| 校验和（Checksum） | 16 位 | 用于验证IP头部是否发生错误。 |
| 源IP地址（Source Address） | 32 位 | 数据包的源IP地址。 |
| 目标IP地址（Destination Address） | 32 位 | 数据包的目标IP地址。 |
| 选项（Options） | 可变长度 | 可选字段，通常用于特殊目的，如时间戳、安全等。 |
| 填充（Padding） | 可变长度 | 用于保证IP头部长度是4字节的倍数。 |
3. IPv4 分片与重组
IPv4数据包的分片和重组机制是为了应对不同网络的MTU（最大传输单元）限制。数据包在经过一个网络时，若该网络的MTU小于数据包大小，路由器会将数据包分割成多个较小的片段，每个片段包含完整的IP头部，保证数据包能够在任何网络上传输。
- 分片：当数据包大于网络的MTU时，IP协议会将数据包分成多个小片段，每个片段包含数据包的标识符和偏移量信息，以便目标主机进行重组。
- 重组：目标设备接收到所有分片后，会根据标识符和偏移量将这些片段重新组装成完整的数据包。
4. 路由与转发
- 路由器：IPv4数据包通过网络中的路由器转发，路由器根据目标IP地址和路由表选择最佳路径。
- 路由表：每个路由器都有一个路由表，记录了不同网络段的路由信息，决定了数据包的转发方向。
IPv6 协议详解
IPv6是为了克服IPv4地址短缺等问题而设计的下一代IP协议。它使用128位地址，可以提供几乎无限的地址空间。
IPv6的地址类型有以下几种：
- 单播（Unicast）：表示一个源设备和一个目标设备之间的通信。
- 多播（Multicast）：表示数据包发送给一组目标设备。
- 任播（Anycast）：表示数据包发送给一组设备中的任何一个设备，通常是距离最短的设备。
IPv6 数据包结构
IPv6相对于IPv4简化了头部结构。IPv6的报文头部包含以下字段：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| 版本（Version） | 4 位 | 表示协议版本，IPv6为6。 |
| 流标签（Flow Label） | 20 位 | 用于标识数据流。 |
| 负载长度（Payload Length） | 16 位 | 表示数据部分的长度。 |
| 下一个头部（Next Header） | 8 位 | 表示数据部分所使用的协议（如TCP、UDP等）。 |
| 跳数限制（Hop Limit） | 8 位 | 限制数据包的最大跳数。 |
| 源IP地址（Source Address） | 128 位 | 源IP |