IP協議
- IP協議的原理是什么？
- IP協議和IP地址有什么關系？
- IP協議的首部是怎么樣的
1.1 IP協議概述
無連接、不可靠
IP協議（Internet Protocol，互聯網協議），是TCP/IP協議棧中最核心的協議之一，通過IP地址，保證了聯網設備的唯一性，實現了網絡通信的面向無連接和不可靠的傳輸功能。
1.2 IP協議原理
如上圖所示，當多台接入互聯網的設備訪問同一台服務器的時候，服務器如何區分不同電腦的請求，並且准確的將資源返回？
我們只要給每個設備加上一些“標識”，並且在通信的時候，將“標識”嵌入到數據包里，則整個數據往返過程可以准確無誤。
我們給PC和服務器加入IP地址，並且以PC1訪問服務器為例：
PC1的IP地址為12.1.8.66,Server的地址為8.8.8.8，那么整個通信過程應該是這樣的📞：
- PC1在請求數據包里封裝了源IP地址和目的IP地址，並將帶有IP地址信息的數據包發送到互聯網。
- 在互聯網中有大量的網絡通信設備（路由器等），路由器根據數據包中的IP地址查找路由表（Map），然后以接力的形式，將數據包逐條轉發至目標服務器。
- 服務器接收到請求數據包之后，將源IP地址和目的IP地址翻轉，並封裝回應數據包發送到互聯網。
上面這個通信過程類似於我們平時的寄信✉：
- 寄信時需要在信封中填寫發件人和收件人的姓名和地址，然后將信件塞入信封中。
- 郵政公司根據信封中的收件地址，通過物流平台（飛機、貨車）將信件跨省市傳輸，直至收件人城市。
- 送信員找到對應的收件人所在的小區地址，然后聯系收件人，將信件交付到收件人手中
在寄信過程中，信封相當於IP地址，整個信件相當於數據包，郵政公司|送信員相當於路由器|交換機。
通過以上的案例我們可以明確以下知識點：
- IP協議通過提供IP地址，將IP地址夾帶在通信數據包中，為路由器指明通信方向。
- IP協議僅僅指明數據包的源目通信方，但是並不能保證數據包一定能夠送達，數據是否被丟棄以及丟棄后如何處理。（所以IP協議是面向無連接的不可靠傳輸功能）（TCP協議可以解決P協議的缺陷）
當然，IP協議不僅僅只有”導航“功能，他還能防止數據包環路，為數據打上重要或不重要等標簽實現流量控制、能驗證數據包是否損壞、能實現數據包分片和組裝功能；而要深入學習這些功能，必須掌握IP頭部的封裝格式。
1.3 IP協議頭部
以下是對某一數據包的抓包結果：
我們可以看到IP頭部默認有12個字段：
- Version（版本號）：標識IP協議的版本，目前V4版本地址已經枯竭，V6慢慢成為主流。
- Header Length（頭部長度）：默認為20字節，最大為60字節。
- Differentiated Services Field （服務區分符）：用於為不同的IP數據包定義不同的服務質量，一般應用在QoS技術中。
- Total Length （總長度）：標識IP頭部加上上層數據的數據包大小，IP包總長度最大為65535個字節。
- Identification （標識符）：用來實現IP分片的重組，標識分片屬於哪個進程，不同進程通過不同ID區分。
- Flags（標志符）：用來確認是否還有IP分片或是否能執行分片。
- Fragment offset （分片偏移量）：用於標識IP分片的位置，實現IP分片的重組。
- Time to live （生存時間）：標識IP數據包還能生存多久，根據操作系統不同，TTL默認值不同，每經過一個三層設備如路由器的處理，則TTL減去1，當TTL=0時，則此數據包被丟棄。
- Protocol （協議號）：標識IP協議上層應用。當上層協議為ICMP時，協議號為1，TCP協議號為6，UDP的協議號為17。
- Header checksum （頭部校驗）：用於檢驗IP數據包是否完整或被修改，若校驗失敗則丟棄數據包。
- Source（源IP地址）：標識發送者IP地址，占用32bit。
- Destination （目的IP地址）：標識接收者IP地址，占用32bit。
了方便記憶，可以總結為7個核心知識點：
- Source和Destination即IP源目地址字段，是IP協議最核心的字段；
- Id+Flags+FO三個字段可以實現IP數據分片和重組；
- Total Length和Header Length標記IP頭部和上層數據的邊界；
- TTL生存時間字段可以實現通信防環；
- DSCP服務區分符可以實現流量控制；
- Checksum字段可以數據包完整性校驗；
- Protocol字段標記上層應用；
1.3.1 length長度字段解讀
划分界限
長度字段在大部分的協議里都會出現，例如TCP、UDP、IP協議，為了就是”划分界限“--->規定哪里是頭部，哪里是數據。
由上圖可知，IP協議的頭部是20字節（默認為20字節，最長可到60字節），Total Length在這里表明是100字節，那么數據部分則是100-20=80字節。
那么這個頭部和數據之間的界限有何用處？👇
當收到數據包之后，無論是電腦/手機還是其他聯網設備，網卡模塊會對數據包進行拆分、修改IP頭部信息、重新進行數據封裝等操作，如果沒有"這條線"，那就可能會"越界"，一旦"越界"，則數據包內容可能損壞，
我們看下面這張圖片👇
當沒有長度字段或者長度字段標識錯誤時，網卡在進行頭部剝離的時候，錯誤的把數據部分划分到頭部里面，這就會導致右邊的數據部分完整性被破壞，接收方最終收到的就是一個損壞的數據包。
1.3.2 TTL生存時間字段解讀
實現通信防環
TTL（Time to live）即生存時間，用於標識IP數據包"還能存活多久"，這個生存值在發送方發送數據時便設置好了。不同電腦/操作系統的初始TTL是不同的，並且TTL值可以修改。
TTL值占用8個bit位，所以最大值是255（二進制11111111）
上圖所示👆，IP數據包每經過一個路由器或者其他三層設備時，TTL就會被減去1，當TTL=0的時間，就代表這個數據包已經”死亡“，此時路由器便會向源發送者返回一個”TTL Exceed“的ICMP報錯包。
TTL一個重要的功能就是實現通信防環，那么何為防環❓請看下圖👇：
我們知道，路由器會將數據包以接力的形式逐條傳遞，很多時候，由於工程師的疏忽，或者因為網絡拓撲結構的復雜性，會出現一些Bug環境，例如上圖便是一個經典的”環路拓撲“，由於網絡設備之間存在的環路”Loop“，所以數據包一直里面饒起來，而不是發送到最右邊的服務器。
如果沒有TTL，那么這個數據包將會一直存在於鏈路中，這樣不僅占用網絡帶寬，並且浪費設備的處理器資源，嚴重的時候將會拖垮其他人的正常通信。
所以，當IP數據包加入TTL值之后，即便網絡拓撲存在環路設計，當數據包被轉發到TTL為0的時候，網絡設備也可以直接丟棄，以此解決環路帶來的危害。
但是TTL仍然是一種“被動式”的解決環路的辦法，真正要解決環路，還需要從網絡設計和協議設計的角度切入。
1.3.3 DSCP字段解讀
DSCP服務區分符可以實現流量控制
"VIP” 待遇
DSCP（Differentiated Services Field） 即服務區分符，用於為不同的IP數據包定義不同的服務質量。DSCP的前身叫做TOS（Type of Service，服務類型）。不管是TOS還是DSCP，它們都是QoS服務質量里面的技術實現。
如上圖所示👆，當PC1和PC2兩個用戶同時訪問互聯網時，由於數據包采用不同的DSCP值，不同的值代表了不同的優先級，例如這里的AF11和EF，可以看成一個是普通等級，一個是VIP等級，此時VIP等級自然要優先被轉發。
應用場景：在企業網中，網絡運維人員可以為核心數據流采用高優先級的DSCP值，為其他普通的例如BT下載流量采用最普通的優先級。在運營商網絡里，可以根據客戶購買的不同專線服務，采用不同的DSCP值。
1.3.4 Checksum字段解讀
實現數據完整性校驗
checksum校驗字段跟長度字段類似，存在於很多協議里面，用於實現數據完整性校驗。
不同協議采用的方法有差異，例如IP協議的checksum值只校驗IP頭部，不包括數據部分，而TCP和UDP的校驗則包括數據部分。
例如PC1發送IP數據包（含checksum1）給PC2，PC2拆開IP頭部，然后進行校驗計算（checksum2），若校驗沒問題則接收並處理，若檢驗有問題則丟棄。注意，這里采用的是校驗算法，不是簡單的相同對比。
1.1.3.5 Protocol字段解讀
協議號
ICMP、TCP、UDP所對應的Protocol協議號👇：
| ICMP | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 1 | 6 | 17 |
無論是IP協議的Protocol字段，還是Internet以太網協議里面的Type字段，又或者是TCP/UDP協議里面的Port字段，這些字段的功能都是用於標識上層協議或應用。例如，ICMP協議號為1，TCP協議號為6，UDP的協議號為17。
那么，在IP協議里面加入協議號標識傳輸層協議，意義何在❓
通過上面這張圖我們可以看到，若PC1 PING PC2，則此時會采用ICMP協議，而ICMP協議對應的協議號是1。當PC2收到這個數據包時，拆開IP頭部，則會看到協議號，根據協議號調用對應的上層協議或應用來進行上層數據處理。
以這里例子來看，若PC2采用TCP或UDP來解開ICMP數據包，則無法正常解析，好比用word程序要打開一部mp4電影，肯定會有故障。而如果這里PC2根據協議號為1，調用ICMP協議來處理ICMP數據包，則可以正常解讀並返回回應包。
所以，協議號（Protocol）、端口號（Port）、類型值（Type）這些的功能都是：標記上層協議/應用，告訴接收方，有正確的協議/應用來打開這個數據，功能相當於電腦文件的后綴名，告訴電腦用哪些應用程序來打開對應的文件。
參考資料：
- 《TCP/IP》圖解
- https://blog.51cto.com/chenxinjie/1970704
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