之前寫過一篇《通俗易懂TCP/IP（概述）》，廣受歡迎和好評，有網(wǎng)友催更，便抽空續(xù)寫IP章節(jié)，回應(yīng)粉絲期待。

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型分為4層，自下而上分布為鏈路層（又叫網(wǎng)絡(luò)接口層）、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。

1. 鏈路層：處理數(shù)據(jù)在媒介上的表示、傳輸以及與硬件交互的細(xì)節(jié)。
2. 網(wǎng)絡(luò)層：IP層負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)報的路由轉(zhuǎn)發(fā)，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP數(shù)據(jù)都通過IP數(shù)據(jù)報傳輸。網(wǎng)絡(luò)層（IP）提供了一種盡力而為、無連接、不可靠的數(shù)據(jù)報交付服務(wù)，IP負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報（又叫分組）放入數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，并處理分片和重組邏輯。
3. 傳輸層：為端主機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序提供端到端服務(wù)，包括TCP和UDP。
4. TCP提供了帶流量控制、擁塞控制、有序、可靠的流交付，TCP需要處理丟包檢測重傳、重排序等IP層不處理的問題，TCP面向連接，不保留消息邊界。
5. UDP提供的功能基本上沒有超越IP，不提供速率控制和差錯控制，不保證可靠性，UDP只是提供一套端口號，用于復(fù)用、多路分解（即把收到的數(shù)據(jù)報交給應(yīng)用層對應(yīng)程序處理）和校驗數(shù)據(jù)完整性（只檢錯不糾錯），UDP面向非連接，保留消息邊界。
6. 應(yīng)用層：負(fù)責(zé)處理特定應(yīng)用的細(xì)節(jié)，通常應(yīng)用的實現(xiàn)都是基于TCP/IP或者UDP/IP。應(yīng)用層與應(yīng)用細(xì)節(jié)相關(guān)，與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸無關(guān)，而之下的三層（鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層）則對應(yīng)用一無所知，但需要處理通信的細(xì)節(jié)。

分層&協(xié)議對照

OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型和TCP/IP四層網(wǎng)絡(luò)模型的對應(yīng)關(guān)系如下圖，對應(yīng)層的常用協(xié)議也列于表中。

分層的目標(biāo)是隔離，通過分層實現(xiàn)：下層對上層透明，而上層利用下層提供的能力。

分層的另一個優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議復(fù)用，這種復(fù)用允許多種協(xié)議共存于同一基礎(chǔ)設(shè)施之中，復(fù)用可以發(fā)生在不同層，并在每層都有不同類型的標(biāo)識符區(qū)分，用于確定信息屬于哪個協(xié)議。

比如在鏈路層的數(shù)據(jù)幀（Frame）有一個協(xié)議標(biāo)識符字段，用來標(biāo)識鏈路層幀攜帶的協(xié)議是IP還是ARP；又比如在網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報頭部有一個8位協(xié)議字段，標(biāo)識該IP數(shù)據(jù)報來自于TCP、還是UDP、亦或是ICMP、IGMP...

封裝

數(shù)據(jù)在發(fā)送端從上到下經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧，遵循應(yīng)用層->TCP/UDP->IP->鏈路層的順序。

當(dāng)某層的一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）對象轉(zhuǎn)換為由底層攜帶的數(shù)據(jù)格式表示，這個過程稱為在相鄰低層的封裝，即上層被封裝對象作為不透明數(shù)據(jù)充當(dāng)?shù)讓拥腜ayload部分，封裝是層層包裹的過程。

每層都有自己的消息對象（PDU）的概念。

• TCP層的PDU叫TCP段（segment）
• UDP層的PDU叫UDP數(shù)據(jù)報（Datagram）
• IP層的PDU叫IP數(shù)據(jù)報（Datagram）
• 鏈路層的PDU叫鏈路層幀（Frame）

封裝的本質(zhì)是將來自上層的數(shù)據(jù)看成不透明、無須解釋的信息，經(jīng)過本層的處理，在上層PDU的前面加上本層協(xié)議的頭部，有些協(xié)議是增加尾部（鏈路層），頭部用于在發(fā)送時復(fù)用數(shù)據(jù)，接收方基于各層封裝過程中增加頭部中的分解標(biāo)識符執(zhí)行分解。

具體到TCP傳輸數(shù)據(jù)而言，發(fā)送端的數(shù)據(jù)要經(jīng)過三次封裝。

1. 應(yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP層的時候，會增加TCP頭部，產(chǎn)生TCP Segment，TCP頭部中的端口號是該層的分解標(biāo)識符。
2. TCP Segment經(jīng)過IP層的時候，會增加IP頭部，產(chǎn)生IP Datagram，IP頭部中的協(xié)議類型字段是該層的分解標(biāo)識符。
3. IP分組經(jīng)過鏈路層的時候，會增加以太網(wǎng)首部和尾部，產(chǎn)生以太網(wǎng)Frame，幀頭部中的以太網(wǎng)類型字段，可用于區(qū)分IPv4(0x8000)、IPv6(0x86DD)和ARP(0x0806)。

分用

數(shù)據(jù)到達(dá)接收端（是目的機(jī)器），會從下到上經(jīng)過TCP/IP協(xié)議棧，遵循鏈路層->IP->TCP/UDP->應(yīng)用層的順序。

接收端的數(shù)據(jù)還原也需要經(jīng)歷三次解封。

1. 經(jīng)過鏈路層會剝離以太網(wǎng)首尾部，根據(jù)以太網(wǎng)類型字段，如果是IP Datagram則交給IP模塊。
2. 經(jīng)過IP層會清除IP頭部，根據(jù)IP頭部中的協(xié)議類型字段，交給TCP、UDP或者ICMP、IGMP模塊。
3. 經(jīng)過TCP/UDP層去掉TCP/UDP頭部，根據(jù)端口號，最終將數(shù)據(jù)還原取出，并交付給應(yīng)用程序。

封裝發(fā)生在發(fā)送方，拆封（還原）發(fā)生在接收方。

消息邊界

應(yīng)用層將協(xié)議攜帶的數(shù)據(jù)寫入消息，消息邊界是兩次寫入操作之間的位置或字節(jié)偏移量。

保留消息邊界的協(xié)議（UDP）在接收方能獲得發(fā)送方的消息邊界，而不保留消息邊界的協(xié)議（TCP）在接收方將不能獲得發(fā)送方的消息邊界。

比如發(fā)送端通過UDP協(xié)議先后發(fā)送2個大小分別為100、200字節(jié)的消息，接收端通過UDP協(xié)議接收數(shù)據(jù)，將分2次分別接收到100、200字節(jié)的消息，但不保證接收100、200消息的先后順序。

而TCP是數(shù)據(jù)流協(xié)議，如果發(fā)送端通過TCP協(xié)議先后發(fā)送2個大小為100和200字節(jié)的消息，接收端會收到300字節(jié)數(shù)據(jù)，但每次接收返回的不一定是100、200字節(jié)消息，接收端丟失了發(fā)送端的消息邊界。

網(wǎng)絡(luò)地址

IP地址用于IP層，IPv4的IP地址是32位整數(shù)，最多可以表示40多億個IP地址，按8位一字節(jié)，則分為4字節(jié)，每個字節(jié)是一個0~255的無符號整數(shù)，所以可以表示為“abc.def.ghi.jkl”的點(diǎn)分十進(jìn)制格式，也可以表示為32位無符號整數(shù)。

點(diǎn)分十進(jìn)制和無符號32位無符號整數(shù)可以很容易換算。

IPv4地址空間分成五大類，A、B、C類用于Internet單播，D類地址供組播使用，E類地址保留。

IPv4的32位又被劃分為網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號，可以把網(wǎng)絡(luò)號想象成到小區(qū)的郵政地址，而主機(jī)號想象成房間號。

鏈路層使用48bit的MAC地址，ARP和RARP用于IP地址和MAC地址之間的相互換算。

應(yīng)用程序編程接口

操作系統(tǒng)通過提供編程接口（API）來支持應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，目前最流行的API是套接字（Socket），也叫Berkeley套接字。

Socket抽象層位于應(yīng)用層跟傳輸層之間，提供創(chuàng)建、綁定、監(jiān)聽、連接、發(fā)送、接收、關(guān)閉等常用方法。

Internet協(xié)議

IP是TCP/IP協(xié)議族中的核心協(xié)議，為傳輸層提供IP數(shù)據(jù)報的交付能力，它負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報從網(wǎng)絡(luò)一端傳遞到另一端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

IP的另一個作用是：在發(fā)送端，接收來自傳輸層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU），添加IP首部封裝為IP數(shù)據(jù)報，交給協(xié)議族的下一層鏈路層。

在接收端（包括中間路由器），接收來自鏈路層的PDU，去掉IP首部，根據(jù)IP首部中的協(xié)議類型，將數(shù)據(jù)分發(fā)給TCP、UDP或者其他。

IP只是完成分組交換（轉(zhuǎn)發(fā)），如果你希望得到可靠性保證，IP會說：對不起，做不了。

發(fā)送一個IP數(shù)據(jù)報猶如寄一個快遞，只需把目的地收件人寫在快遞上，快遞公司會路由分發(fā)，但中間有可能丟件，丟了不管，而且到了，也不會有確認(rèn)，一切隨緣。

基于TCP/IP協(xié)議族構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，可以區(qū)分為端系統(tǒng)（兩邊的主機(jī)）和中間系統(tǒng)（中間路由器），端主機(jī)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所有層，而路由器實現(xiàn)傳輸層之下的所有層，IP使用逐跳協(xié)議，IP之上的各層使用端到端協(xié)議。

路由器

路由器工作于網(wǎng)絡(luò)層，是IP層的核心設(shè)備。

路由器有兩個或兩個以上的網(wǎng)絡(luò)接口，用于連接兩個或多個網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報（分組）從一個網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)接口。

帶有多網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）的主機(jī)也能承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能，這種主機(jī)稱為作為路由器使用的主機(jī)。

如果把一個村莊比喻成一個小的局域網(wǎng)，那路由器就相當(dāng)于連接村莊的橋梁，路由器屬于中間系統(tǒng)，所以連接不同網(wǎng)絡(luò)的路由器需要實現(xiàn)不同的鏈路層協(xié)議，完成不同鏈路層的翻譯轉(zhuǎn)換功能。

另一方面，路由器實現(xiàn)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層這2層就夠了，而不必實現(xiàn)傳輸層和應(yīng)用層，這是由它的功能（實現(xiàn)分組交換）決定的。

每個IP分組都是一個IP數(shù)據(jù)報，包含發(fā)送方和接收方的第三層地址（IP地址），即32位的IPv4或128位的IPv6，IP數(shù)據(jù)報首部中的目的地址決定將該數(shù)據(jù)報發(fā)往何處，而做出決定和發(fā)送數(shù)據(jù)報到下一跳的過程叫轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)依賴于路由表，是存儲于內(nèi)存中的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

IP協(xié)議格式

在貼出IP協(xié)議格式之前，我們可以設(shè)想一下，IP協(xié)議需要包括哪些信息，這比直接上圖＋死記硬背要好。

根據(jù)之前封裝的描述，顯然，IP數(shù)據(jù)報應(yīng)該是包括IP首部 數(shù)據(jù)負(fù)載，而這個不透明的負(fù)載（Payload）來自于TCP、UDP或者其他。

所以我們講IP數(shù)據(jù)報格式，其實就是IP首部的組成和結(jié)構(gòu)，因為數(shù)據(jù)負(fù)載來自于上層，而封裝的本質(zhì)要求上層的數(shù)據(jù)對下層隱藏、無須解釋，既然IP的Payload對于IP層透明，那自然沒什么可講的。

IP首部由各種不同用途和含義的字段組成。

因為IP分32位的IPv4和128位的IPv6，所以IP首部需要包括版本號字段用來區(qū)分這兩種情況。

因為IP負(fù)責(zé)分組轉(zhuǎn)發(fā)，所以IP首部應(yīng)該包括目的IP地址，用于路由轉(zhuǎn)發(fā)邏輯的處理，另外接收端可能需要找到該分組的來源，所以也應(yīng)該包含來源IP地址。

TCP、UDP、ICMP、IGMP都通過IP數(shù)據(jù)報傳輸，所以在IP首部，需要包含一個協(xié)議字段，用于區(qū)分該IP數(shù)據(jù)報承載的是哪種類型的協(xié)議。

IP不糾錯，但是需要檢查錯誤，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，有可能出錯，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)跟發(fā)送的不一樣，所以接收端需要有方法知道傳輸過程中，數(shù)據(jù)是否跟發(fā)送端一致，所以頭部校驗和字段也是必要的。

因為IP要處理分片和重組，所以IP首部需要包含相關(guān)信息，以支持該功能。

IP分IPv4和IPv6兩種，協(xié)議格式不同，本文講述以IPv4為主，先給一個IPv4的數(shù)據(jù)報圖，不帶選項的IP數(shù)據(jù)報頭部為20字節(jié)。

版本，IP協(xié)議的第一個字段都是版本字段，這也是IPv4和IPv6唯一相同的字段，IP數(shù)據(jù)報的版本字段為4對應(yīng)IPv4，為6對應(yīng)IPv6，主機(jī)或者路由器可以根據(jù)版本字段，分別處理IPv4或IPv6（稱為雙棧）。

IHL，Internet頭部長度，該字段為4位，表示頭部（包括選項）32位字的數(shù)量，也就是說，真正的用字節(jié)表示的頭部長度應(yīng)該是IHL的值，再乘以4（32位=4字節(jié)），因為4位能表示的最大2進(jìn)制為1111，對應(yīng)十進(jìn)制15，所以IPv4的首部最多60（15*4）字節(jié)。

DS，服務(wù)類型字段占6bit，顯示控制通知（ECN）占2bit，一共8bit，該8bit用來替換了最初版本的服務(wù)類型（ToS）字段，原因是ToS其實沒怎么被用。

總長度字段，是IP數(shù)據(jù)報的總長度，包括首部和數(shù)據(jù)。

接下來的32位字（4字節(jié)），標(biāo)識（16bit） 標(biāo)志（3bit） 分片偏移（13bit）用于分片和重組邏輯。

TTL，生存期字段用于設(shè)置數(shù)據(jù)報可經(jīng)過路由器數(shù)量的上限。超此上限的IP數(shù)據(jù)報將被丟棄。

協(xié)議字段，8bit，提供多路分解功能，滿足IP協(xié)議可用于攜帶多種（TCP、UDP、ICMP、IGMP等）協(xié)議類型的有效載荷的要求，TCP對應(yīng)值17，UDP對應(yīng)值為6。

頭部校驗和字段，僅計算IPv4頭部，不包括數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)（Payload）的校驗由傳輸層協(xié)議去保證，校驗和的含義很簡單明了，在發(fā)送端根據(jù)IP頭部的各位計算出一個數(shù)值，接收端根據(jù)接收到的IP頭部的各位重算一個數(shù)值，如果該值等于校驗和字段，那就哦了，否則，傳輸過程中出錯了，這個IP數(shù)據(jù)報不靠譜，扔了吧。

分片和重組

鏈路層對可傳輸?shù)膸幸粋€最大長度的限制，以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)幀的長度上限是1500字節(jié)，鏈路層可傳輸幀的長度限制叫做最大傳輸單元（MTU）。

如果IP層有一個數(shù)據(jù)報要傳，且數(shù)據(jù)長度比鏈路層的MTU還大，那么IP層就需要對該數(shù)據(jù)報分片（fragmentation），把超限的數(shù)據(jù)報切分為若干片，使得每片都小于MTU限制。

IP層接收到一份要發(fā)送的數(shù)據(jù)報時，通過選路邏輯來決定向哪個接口（網(wǎng)卡）發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要查詢該接口獲得其MTU，然后將數(shù)據(jù)報長度與MTU進(jìn)行比較，如果需要，則進(jìn)行分片，分片可以發(fā)生在原始發(fā)送端主機(jī)，也可以發(fā)生在中間路由器上。

IP數(shù)據(jù)報分片后，到達(dá)目的地后才進(jìn)行重新組裝，恢復(fù)分片前的IP數(shù)據(jù)報信息，重組由目的主機(jī)的IP層完成。因此，分片和重組對傳輸層（TCP、UDP）透明，IP首部中的標(biāo)識、標(biāo)志、分片偏移字段為分片和重組提供了足夠的信息。

IP數(shù)據(jù)報首部中的標(biāo)識（16bit）保存分片的唯一值，這意味著屬于同一IP數(shù)據(jù)報的多個分片擁有相同的標(biāo)識值。

標(biāo)志（3bit）字段中的一位用來表示“是否有更多的片”，除最后一片外，其他組成數(shù)據(jù)報的分片該位設(shè)1，最后一片置0表示沒有更多的片，也就是最后一片；片偏移字段用來標(biāo)識該片在原始IP數(shù)據(jù)報中的位置。

當(dāng)IP數(shù)據(jù)報切分為多個分片（IP數(shù)據(jù)報）后，每個分片的總長度字段（16bit）要更改為該片的長度值。

對鏈路層而言，不管是完整的IP數(shù)據(jù)報，還是IP數(shù)據(jù)報的一個分片，都以IP分組同等視之，分組是IP層把數(shù)據(jù)報傳遞給鏈路層的一個概念，既可能是一個獨(dú)立IP數(shù)據(jù)報也可能是一個IP數(shù)據(jù)報的分片。每個分組（分片）都有自己的IP首部，并在選路時與其他分組（分片）獨(dú)立路由，所以這些分片到達(dá)目的端可能失序，但IP首部有足夠信息重新組裝這些片。

任何一個分片的丟失，都要導(dǎo)致重傳整個數(shù)據(jù)報，這是因為重傳機(jī)制在傳輸層，而分片對傳輸層透明。

上圖是UDP數(shù)據(jù)報在IP層的分片示例，可見UDP首部只存在第一個分組（分片）之中，這很容易理解，因為經(jīng)傳輸層封裝后的數(shù)據(jù)報對于IP層而言是透明的，IP不區(qū)分UDP首部和UDP數(shù)據(jù)，它們都是不透明的Payload。

接收端在收到IP分片后，相同標(biāo)識值的分片屬于同一個被切分的數(shù)據(jù)報，然后對分片偏移排序，更多片標(biāo)志位為0的分組是最后一片，排序后的分組，如果分配偏移連續(xù)，且最后一個分組也到達(dá)，則表示整個數(shù)據(jù)報都到達(dá)了，則恢復(fù)數(shù)據(jù)報，否則繼續(xù)等待。

IP轉(zhuǎn)發(fā)

IP轉(zhuǎn)發(fā)的概念很簡單，就是路由器為IP數(shù)據(jù)報挑選一個接口發(fā)送出去。

從發(fā)送端到目的端，之間經(jīng)歷的所有路由器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)路由的完整路徑，這跟從家到公司經(jīng)過的所有路口構(gòu)成的路徑類似。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）收到數(shù)據(jù)報時，IP模塊檢查數(shù)據(jù)報目的地址是否為自己的IP地址，如果是，數(shù)據(jù)報交付給由協(xié)議字段指定的協(xié)議模塊（TCP、UDP等），如果不是，則判斷IP層是否配置為路由器，如果是，則轉(zhuǎn)發(fā)，如果不是，丟棄，因為主機(jī)不轉(zhuǎn)發(fā)那些不是由它生成的數(shù)據(jù)報。

IP層包含一些位于內(nèi)存中的信息，稱為路由表，每次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報時，都要查詢路由表，執(zhí)行最長前綴匹配法，決定挑選哪個路由表項做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。IP轉(zhuǎn)發(fā)逐跳進(jìn)行，每次轉(zhuǎn)發(fā)假設(shè)離目的地更近一步，路由器和主機(jī)不包含到目的地的完整路徑信息。

路由表是路由條目的列表，每個路由條目包括以下幾項關(guān)鍵信息。

1. 目的地：一個32位字段，用于與掩碼操作結(jié)果相匹配。
2. 掩碼：一個32位字段，用于與IP數(shù)據(jù)報中的目的IP地址做按位與操作。
3. 下一跳：下一個IP實體（路由器或者主機(jī)）的32位IP地址，數(shù)據(jù)報將被轉(zhuǎn)發(fā)到該地址。
4. 接口：用于將數(shù)據(jù)報發(fā)送給下一跳的網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）。

選路過程：

1. 首先取出數(shù)據(jù)報中的目的IP地址，然后與路由條目的掩碼字段進(jìn)行按位與，按位與的結(jié)果如果等于路由條目的目的地，則該條目與目的地IP匹配，該條目進(jìn)入候選集合。
2. 從候選集合中選擇最匹配的條目，即掩碼最多位為1的條目，取出下一跳字段作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報的下一跳IP地址。
3. 通過最匹配條目的網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)送到下一跳。
4. 如果沒有匹配條目，則數(shù)據(jù)報無法交付，通過ICMP發(fā)送“主機(jī)不可達(dá)”通知發(fā)送主機(jī)。

通常路由表會有一個默認(rèn)路由項目，用于默認(rèn)路由，每經(jīng)過一個路由器，IP首部中的TTL字段都要自減1。