网络基础: IP 协议 (拾遗补缺)
2017-12-01 计算机网络
概述
网络层是整个互联网的核心，只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务，使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，在网络层看起来像是一个统一的网络。
IP 模块
IP模块负责添加两个头部:
- Mac 头部：以太网用的头部，包含 Mac 地址
- IP 头部：IP用的头部，包含 IP 地址
无论要收发的包是控制包还是数据包，IP对各种类型的包的收发操作都是相同的。
IP 协议 (模块) 在生成 IP 头部之后，会在它前面再加上 Mac 头部。Mac 头部是以太网使用的头部，它包含了接收方和发送方的 Mac 地址等信息。将 Mac 头部加在 IP 头部的前面，整个包就完成了，整个打包的工作是由 IP 模块负责的。
有人认为，Mac 头部是以太网需要的内容，并不属于 IP 的职责范围，但从现实来看，让 IP 负责整个打包工作是有利的。
如果在交给网卡之前，IP 模块能够完成整个打包工作，那么网卡只要将打好的包发送出去就可以了。
对于除 IP 以外的其他类型的包也是一样，如果在交给网卡之前完成打包，那么对于网卡来说，发送的操作和发送 IP 包是完全相同的。这样一来，同一块网卡就可以支持各种类型的包。对于接收操作来说也是一样，接收的包可以原封不动直接交给 IP 模块来处理，网卡就只要负责接收就可以了。这样一来，一块网卡也就能支持各种类型的包了。
IP 数据报格式
- 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值
- 首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充
- 区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用
- 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度
- 生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报陷入 “无限循环”，以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报
- 协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等
- 首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量
- 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符
- 片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节
IP 地址和路由表
IP 地址实际上并不是分配给计算机的，而是分配给网卡的，因此当计算机上存在多块网卡时，每一块网卡都会有自己的 IP 地址。
很多服务器上都会安装多块网卡，这时一台计算机就有多个 IP 地址，在填写发送方 IP 地址时就需要判断到底应该填写哪个地址。这个判断相当于在多块网卡中判断应该使用哪一块网卡来发送这个包，也就相当于判断应该把包发往哪个路由器，因此只要确定了目标路由器，也就确定了应该使用哪块网卡，也就确定了发送方的 IP 地址。
所以当我们设置设置发送方 IP 地址时，我们已经判断出了从哪块网卡发送这个包，那么现在只要将这块网卡对应的 Mac 地址填进去就好了。
路由器使用 路由表 判断下一个路由器，因为协议栈的 IP 模块与路由器中负责包收发的部分都是根据 IP 协议规则来进行包收发操作的，所以它们也都用相同的方法来判断把包发送给谁。
有关路由表的具体细节，请参考 之前的文章。
