网络协议分层之网络层

IPv4协议：Internet网络层最核心的协议。定义了如何封装上层协议（ 如UDP、 TCP） 的报文段；定义了Internet网络层寻址（ IP地址） 以及如何转发IP数据报等内容。

协议头格式简单介绍

版本（4位）：4位能表示 0到15
4位首部长度：0-15 单位是4个字节
IP数据报的首部长度和数据长度都是可变长的，但总是4字节的整数倍。对于IPv4，4位版本字段是4。4位首部长度的数值是以4字节为单位的，最小值为5，也就是说首部长度最小是4x5=20字节，也就是不带任何选项的IP首部，4位能表示的最大值是15，也就是说首部长度最大是60字节。

区分服务（8位）：
8位TOS字段有3个位用来指定IP数据报的优先级（目前已经废弃不用），还有4个位表示可选的服务类型（最小延迟、最大呑吐量、最大可靠性、最小成本），还有一个位总是0。

16位总长度（字节数）：
总长度是整个数据报（包括IP首部和IP层payload）的字节数。每传一个IP数据报，16位的标识加1，可用于分片和重新组装数据报。

16位标识，3位标志，13位片偏移：这三个字段辅助进行实现 拆包组包
16位标识，相当于IP数据报的身份标识
把一个数据拆成多个IP数据报的时候，这三个IP数据报的标识是相同的。
3位标志和13位片偏移用于分片。
13位片偏移，描述了当前这个包的顺序。
3位标志，第二位表示“禁止分片”，第三位表示“更多分片”，如果这一位为1表示当前这个分片就是最后一个分片，如果这一位为0表示当前这个分片不是最后一个分片。

8位生存时间（TTL）:
这个字段表示一个IP数据报最多在网络上存活多久，这个TTL不是一个“时间”概念，而是一个“次数”

源主机为数据包设定一个生存时间，比如64，每过一个路由器就把该值减1，如果减到0就表示路由已经太长了仍然找不到目的主机的网络，就丢弃该包，因此这个生存时间的单位不是秒，而是跳（hop）。协议字段指示上层协议是TCP、UDP、ICMP还是IGMP。然后是校验和，只校验IP首部，数据的校验由更高层协议负责。IPv4的IP地址长度为32位。

TTL的目的是为了防止这个IP数据报出现环路转发的情况

8位协议：
通过8位协议来指定传输层使用哪个协议来解析数据。
类似，传输层（例如TCP,UDP）的报头中的 目的端口就是在指定应用层使用哪个协议。

16位首部校验和：
类似于crc循环检验，只需要校验首部即可，载荷部分（就是一个完整的TCP/UDP数据报）其实已经由TCP或者UDP进行校验了。

32位源IP地址：发送人地址
32位目的IP地址：接收人地址

IP协议核心功能
1.地址管理：能够通过一系列的规则，把网络上的设备的地址给描述出来。
2.路由选择：根据当下的源地址和目的地址，规划处一条合适的路径。

在IPV4协议，ip地址是通过32位的整数表示，通过“点分十进制”，把一个32位的数字分成4份，每一份就是8bit（一个字节），八个比特位能表示的范围是【0,255】

如何解决IP地址不能分配的问题？
1.动态分配IP
接入网络的设备分配IP地址，没接入网络的设备就不分配，但是这种方法并不能从根本上解决问题。

2.NAT机制，网络地址替换

不同局域网中的ip地址可以重复，但是经过路由器到达公网的ip地址不能重复。（如图所示）
同一个局域网里的足迹，网络号要相同，主机号不能相同。

IP地址子网掩码都是32位的2进制，为了方便记忆转成10进制，通过子网掩码来区分网络位和主机位，子网掩码跟IP地址一一对应，子网掩码为1的是网络位，为0的是主机位。
如：192.168.1.2 掩码255.255.255.0 。网络位192.168.1 主机位是2

路由选择
这里的路由指的是IP协议中的“路径规划功能”

IP协议中，数据到达某个路由器之后，当前路由器并不知道网络整体的环境，当前路由器只是知道它附近的情况，IP协议寻路的过程，是一个“探索式”的过程。