# 2. IP 数据报
## 1. IP 数据报格式
### 1.1 TCP/IP 协议栈
### 1.2 IP 数据报格式
#### 首部细节
**版本：**占 4 位，指 IP 协议的版本。（IPv4/IPv6）
**首部长度：**占 4 位，**单位是 4B**，最小为 5（因为首部固定部分 20B，5 \* 4B = 20B），最大为 15（15 \* 4B = 60B）
**区分服务：**占 8 位，用来获取更好的服务（如：优先级），但实际上一直没有用过
**总长度：**占 16 位，首部 + 数据部分的总长度，**单位是 1B**，因此数据报的总长度为 $$2^{16} - 1 = 65535 B$$
**生存时间（TTL）：**占 8 位，IP 分组的保质期，经过一个路由器就 -1，变为 0 则丢弃
**协议：**占 8 位，数据部分的协议，即传输层使用的是什么协议
| 协议名 | ICMP | IGMP | TCP | EGP | IGP | UDP | IPv6 | ESP | OSPF |
| :-: | :--: | :--: | :---: | :-: | :-: | :----: | :--: | :-: | :--: |
| 字段值 | 1 | 2 | **6** | 8 | 9 | **17** | 41 | 50 | 89 |
**首部检验和：**占 16 位，只检验数据报的首部，但不包含数据部分。每经过一个路由器，都会重新计算一下首部检验和。
**源地址：**占 32 位
**目的地址：**占 32 位
**可选字段：**占 0 \~ 40 位，用来支持排错、测量以及安全措施
**填充：**全 0，把首部长度补成 4B 的整数倍
### 1.3 IP 数据报分片
**最大传输单元MTU：**数据链路层帧可封装数据的上限，以太网的MTU是1500字节。
**标识：**占 16 位，同一数据报的分片使用同一标识
**标志：**占 3 位，只有两位有意义 x \_ \_
* 中间位 DF（Don't Fragment）
* DF = 1，禁止分片
* DF = 0，允许分片
* 最低位 MF（More Fragment）
* MF = 1，后面还有分片
* MF = 0，代表最后一片 / 没分片
**片偏移：**指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。**（以 8B 为单位）**
* 除了最后一片，每个分片长度一定是 **8B 的整数倍**
## 2. IPv4 地址
IP 地址是唯一标识一个计算机的地址
### 2.1 IP 编址的历史阶段
1. 分类的 IP 地址
2. 子网的划分
3. 构成超网（无分类编址方式）
### 2.2 分类的 IP 地址
IP 地址：全世界唯一的 **32 为 / 4 字节** 标识符，标识路由器主机的接口
IP 地址 ::= {<网络号>，<主机号>}
### 2.3 互联网中的 IP 地址
### 2.4 IP 地址的分类
### 2.5 特殊 IP 地址
### 2.6 私有 IP 地址
### 2.7 IP 地址的范围
对于 A 类地址，0.0.0.0 和 127.0.0.0 不能用作网络号
对于 B 类地址，128.0.0.0 不能作为网络号
对于 C 类地址，192.0.0.0 不能作为网络号
## 3. 网络地址转换（NAT）
对于私有IP地址是不能在网络上传输的，需要通过 NAT技术来实现私网IP和公网通信的功能。
网络地址转换 NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件，安装了 NAT 软件的路由器交**NAT路由器**，它至少有一个有效的**外部全球 IP地址**。
## 4. 子网划分 & 子网掩码
### 4.1 分类 IP 地址的弱点
1. IP 地址空间的利用率有时很低
2. 两级 IP 地址不够灵活
### 4.2 子网划分
**子网划分就是把一部分用来表示主机号的位数来表示网络号，用子网掩码区分。**
### 4.3 子网掩码
### 4.4 使用子网时分组的转发
**路由表中存储的信息：**
1. 目的网络地址
2. 目的网络子网掩码
3. 下一跳网址
**路由器转发分组的算法：**
1. 提取目的 IP地址
2. 是否直接交付
3. 特定主机交付
4. 检测路由表中有无路径
5. 默认路由 0.0.0.0
6. 丢弃，报告转发分组出错（TTL 为 0）
## 5. 无分类编址 CIDR
1. **消除了传统他的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念**
CIDR 记法：IP 地址后加上 /，然后写上网络前缀（可以是任意长度）的位数。e.g. 128.14.32.0**/20**
2. **融合子网地址与子网掩码，方便子网划分**
CIDR 把**网络前缀都相同**的连续的 IP 地址组成一个 CIDR地址块
### 5.1 构成超网
将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合
**方法：**将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）
### 5.2 最长前缀匹配
使用 CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（**跟网络掩码按位相与**），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。
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