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也許你無數遍聽過IP，但是知道IP的運行原理嗎？IP，是Internet Protocol Address的縮寫，一般翻譯為互聯網協議地址、或網際協議地址。每一臺電腦、每一步手機都有自己的IP。在連接互聯網設備時，IP發揮著舉足輕重的作用，那麼它的運行原理究竟是什麼？在本文中，淘寶高級程序員“我不想種地”，將會為你掰開揉碎地講清楚！
一、TCP/IP網絡模型：
TCP/IP網絡模型分為4層，自下而上分佈為鏈路層（又叫網絡接口層）、網絡層、傳輸層、應用層。
鏈路層：處理數據在媒介上的表示、傳輸以及與硬件交互的細節。
網絡層：IP層負責IP數據報的路由轉發，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP數據都通過IP數據報傳輸。網絡層（IP）提供了一種盡力而為、無連接、不可靠的數據報交付服務，IP負責將IP數據報（又叫分組），放入數據鏈路層傳輸，負責分片和重組邏輯。
傳輸層：為端主機上運行的應用程序提供端到端服務，包括TCP和UDP。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；而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，用於複用、多路分解（即把收到的UDP數據報交給應用層對應程序處理）和校驗數據完整性（只檢錯不糾錯），UDP面向非連接，保留消息邊界。
應用層：負責處理特定應用的細節，通常應用的實現都是基於TCP/IP或者UDP/IP。應用層與應用細節相關，與網絡數據傳輸無關，而之下的三層（鏈路層、網絡層、傳輸層）則對應用一無所知，但需要處理通信的細節。
二、分層&協議對照：
網絡分層實現了下層對上層透明，而上層利用了下層提供的能力。分層的另一個優點是協議複用，這種複用允許多種協議共存於同一基礎設施之中，複用可以發生在不同層，並在每層都有不同類型的標識符區分，用於確定信息屬於哪個協議，比如在鏈路層，鏈路層的數據幀（Frame）有一個協議標識符字段，用來標識鏈路層幀攜帶的協議是IP還是ARP，又比如在網絡層，IP層的IP數據報的頭部有一個8位協議字段，標識該IP數據報來自於TCP、還是UDP、亦或是ICMP、IGMP......
三、封裝：
數據在發送端從上到下經過TCP/IP協議棧，應用層->TCP/UDP->IP->鏈路層，當某層的一個協議數據單元（PDU）對象轉換為由底層攜帶的數據格式表示，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據充當底層的Payload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數據報（Datagram），IP層的PDU叫IP數據報（Datagram），鏈路層的PDU叫鏈路層幀（Frame）。
封裝的本質是將來自上層的數據看成不透明、無須解釋的信息，經過本層的處理，在上層PDU的前面加上本層協議的頭部，有些協議是增加尾部（鏈路層），頭部用於在發送時複用數據，接收方基於各層封裝過程中增加頭部中的分解標識符執行分解。
具體到TCP傳輸數據而言，發送端的數據要經過4次封裝，應用層數據經過TCP層的時候，會增加TCP頭部，產生TCP Segment，TCP頭部中的端口號是該層的分解標識符；
經過IP層的時候，會增加IP頭部，產生IP Datagrame，IP頭部中的協議類型字段是該層的分解標識符；
經過鏈路層的時候，會增加以太網首部、尾部，產生以太網幀，幀頭部中的以太網類型字段，可用於區分IPv4(0x8000)、IPv6(0x86DD)和ARP(0x0806)。
四、分用：
數據到達接收端（是目的機器），會經過從下到上經過TCP/IP協議棧，鏈路層->IP->TCP/UDP->應用層。經過鏈路層會剝離以太網首尾部，根據以太網類型字段，如果是IP Datagram則交給IP層；
經過IP層會清除IP頭部，根據IP頭部中的協議類型字段，交給TCP、UDP或者ICMP、IGMP；經過TCP/UDP層去掉TCP/UDP頭部，根據端口號，最終將數據還原取出交付給應用程序。
封裝發生在發送方，拆封（還原）發生在接收方。
五、消息邊界：
應用層將協議攜帶的數據寫入消息，消息邊界是兩次寫入操作之間的位置或字節偏移量，保留消息邊界的協議（UDP）在接收方將能獲得發送方的消息邊界，而不保留消息邊界的協議（TCP）在接收方將不能獲得發送方的消息邊界。
比如發送端通過UDP協議先後發送2個大小分別為100、200字節的消息，接收端通過UDP協議接收數據，將分2次分別接收到100、200字節的消息，但不保證接收100、200消息的先後順序；
而TCP是數據流協議，如果發送端通過TCP協議先後發送2個大小為100和200字節的消息，接收端會收到300字節數據，但每次接收返回的不一定是100、200字節消息，接收端丟失了發送端的消息邊界。
六、網絡地址：
IP地址用於IP層，IPv4的IP地址是32位整數，最多可以表示40億多個IP地址，按8位一字節，則分為4字節，每個字節是一個0~255的整數，所以可以表示abc.def.ghi.jkl的點分十進制格式，點分十進制和無符號32位整數可以很容易換算。
IPv4地址空間分成五大類，A、B、C類用於Internet單播，D類地址供組播使用，E類地址保留。IPv4的32位又被劃分為網絡號和主機號，可以把網絡號想象成到小區的郵政地址，而主機號想象成房間號。
鏈路層使用48bit的MAC地址，ARP和RARP用於IP地址和MAC地址之間的相互換算。
七、應用程序編程接口：
操作系統通過提供編程接口（API）來支持應用程序的網絡開發，目前最流行的API是套接字（Socket），也叫Berkeley套接字，Socket抽象層位於應用層跟傳輸層之間，提供創建、綁定、監聽、連接、發送、接收、關閉等常用方法。
八、Internet協議：
IP是TCP/IP協議族中的核心協議，為傳輸層提供IP數據報的交付能力，它負責將IP數據報從網絡一端傳遞到另一端，實現數據轉發。
IP的另一個作用是：在發送端，接收來自傳輸層的協議數據單元（PDU），添加IP首部封裝為IP數據報，交給協議族的下一層：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IP首部中的協議類型，將數據分發給TCP、UDP或者其他。
IP只是完成分組交換（轉發），如果你希望得到可靠性保證，IP會說：對不起，不歸我管。發送一個IP數據報猶如寄一個快遞，只需把目的地收件人寫在快遞上，快遞公司會路由分發，但中間有可能丟件，丟了不管，而且到了，也不會有確認，一切隨緣。
基於TCP/IP協議族構建的網絡，可以區分為端系統（兩邊的主機）和中間系統（中間路由器），端主機實現網絡所有層，而路由器實現傳輸層之下的所有層，IP使用逐跳協議，IP之上的各層使用端到端協議。
九、路由器：
路由器工作於網絡層，是IP層的核心設備，路由器有兩個或兩個以上的網絡接口，用於連接兩個或多個網絡，負責將IP數據報（分組）從一個網絡接口轉發到另一個網絡接口，帶有多網絡接口（網卡）的主機也能承擔轉發分組的功能，這種主機稱為作為路由器使用的主機。
如果把一個村莊比喻成一個小的局域網，那路由器就相當於連接村莊的橋樑，路由器屬於中間系統，所以連接不同網絡的路由器需要實現不同的鏈路層協議，完成不同鏈路層的翻譯轉換功能；
另一方面，路由器實現鏈路層+網絡層這2層就夠了，而不必實現傳輸層和應用層，這是由它的功能（實現分組交換）決定的。
每個IP分組都是一個IP數據報，包含發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數據報首部中的目的地址決定將該數據報發往何處，而做出決定和發送數據報到下一跳的過程叫轉發，轉發依賴於路由表，是存儲於內存中的一個數據結構。
十、IP協議格式：
在貼出IP協議格式之前，我們可以設想一下，IP協議需要包括哪些信息，這比直接上圖＋死記硬背要好。
根據之前封裝的描述，顯然，IP數據報應該是包括IP首部+數據負載，而這個不透明的負載（Payload）來自於TCP、UDP或者其他。
所以我們講IP數據報格式，其實就是IP首部的組成和結構，因為數據負載來自於上層，而封裝的本質要求上層的數據對下層隱藏、無須解釋，既然IP的Payload對於IP層透明，那自然沒什麼可講的。
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分這兩種情況。
因為IP負責分組轉發，所以IP首部應該包括目的IP地址，用於路由轉發邏輯的處理，另外接收端可能需要找到該分組的來源，所以也應該包含來源IP地址。
TCP、UDP、ICMP、IGMP都通過IP數據報傳輸，所以在IP首部，需要包含一個協議字段，用於區分該IP數據報承載的是哪種類型的協議。
IP不糾錯，但是需要檢查錯誤，數據在傳輸過程中，有可能出錯，導致接收到的數據跟發送的不一樣，所以接收端需要有方法知道傳輸過程中，數據是否跟發送端一致，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首部需要包含相關信息，以支持該功能。
IP分IPv4和IPv6兩種，協議格式不同，本文講述以IPv4為主，先給一個IPv4的數據報圖，不帶選項的IP數據報頭部為20字節。
版本，IP協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數據報的版本字段為4對應IPv4，為6對應IPv6，主機或者路由器可以根據版本字段，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位字的數量，也就是說，真正的用字節表示的頭部長度應該是IHL的值，再乘以4（32位=4字節），因為4位能表示的最大2進製為1111，對應十進制15，所以IPv4的首部最多60（15*4）字節。
DS，服務類型字段佔6bit，顯示控制通知（ECN）佔2bit，一共8bit，該8bit用來替換了最初版本的服務類型（ToS）字段，原因是ToS其實沒怎麼被用。
總長度字段是IP數據報的總長度，包括首部和數據。
接下來的32位字（4字節），標識（16bit）+標誌（3bit）+分片偏移（13bit）用於分片和重組邏輯。
TTL，生存期字段用於設置數據報可經過路由器數量的上限。超此上限的IP數據報將被丟棄。
協議字段，8bit，提供多路分解功能，滿足IP協議可用於攜帶多種（TCP、UDP、ICMP、IGMP等）協議類型的有效載荷的要求，TCP對應值17，UDP對應值為6。
頭部校驗和字段僅計算IPv4頭部，不包括數據，數據（Payload）的校驗由傳輸層協議去保證，校驗和的含義很簡單明瞭，在發送端根據IP頭部的各位計算出一個數值，接收端根據接收到的IP頭部的各位重算一個數值，如果該值等於校驗和字段，那就哦了，否則，傳輸過程中出錯了，這個IP數據報不靠譜，扔了吧。
十一、分片和重組：
鏈路層對可傳輸的幀有一個最大長度的限制，以太網對數據幀的長度上限是1500字節，鏈路層可傳輸幀的長度限制叫做最大傳輸單元（MTU）。
如果IP層有一個數據報要傳，且數據長度比鏈路層的MTU還大，那麼IP層就需要對該數據報分片（fragmentation），把超限的數據報切分為若干片，使得每片都小於MTU限制。
IP層接收到一份要發送的數據報時，通過選路邏輯來決定向哪個接口（網卡）發送數據，發送數據之前，需要查詢該接口獲得其MTU，然後將數據報長度與MTU進行比較，如果需要，則進行分片，分片可以發生在原始發送端主機，也可以發生在中間路由器上。
IP數據報分片後，到達目的地後才進行重新組裝，恢復分片前的IP數據報結構，重組由目的主機的IP層完成，因此，分片和重組對傳輸層（TCP、UDP）透明，IP首部中的標識、標誌、分片偏移字段為分片和重組提供了足夠的信息。
IP數據報首部中的標識（16bit）保存分片的唯一值，這意味著屬於同一IP數據報的多個分片擁有相同的標識值；
標誌（3bit）字段中的一位用來表示“是否有更多的片”，除最後一片外，其他組成數據報的分片該位設1，最後一片置0表示沒有更多的片，也就是最後一片；片偏移字段用來標識該片在原始IP數據報中的位置。
當IP數據報切分為多個分片（IP數據報）後，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數據報，還是IP數據報的一個分片，都以IP分組同等視之，分組是IP層把數據報傳遞給鏈路層的一個概念，既可能是一個獨立IP數據報也可能是一個IP數據報的分片。
每個分組（分片）都有自己的IP首部，並在選路時與其他分組（分片）獨立路由，所以這些分片到達目的端可能失序，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，都要導致重傳整個數據報，這是因為重傳機制在傳輸層，而分片對傳輸層透明。
上圖是UDP數據報在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，因為經傳輸層封裝後的數據報對於IP層而言是透明的，IP不區分UDP首部和UDP數據，它們都是不透明的Payload。
接收端在收到IP分片後，相同標識值的分片屬於同一個被切分的數據報，然後對分片偏移排序，更多片標誌位為0的分組是最後一片，排序後的分組，如果分配偏移連續，且最後一個分組也到達，則表示整個數據報都到達了，則恢復數據報，否則繼續等待。
十二、IP轉發：
IP轉發的概念很簡單，就是路由器為IP數據報挑選一個接口發送出去，從發送端到目的端，之間經歷的所有路由器構成網絡的完整路徑，這跟從家到公司經過的所有路口構成的路徑類似。
當網絡接口（網卡）收到數據報時，IP模塊檢查數據報目的地址是否為自己的IP地址，如果是，數據報交付給由協議字段指定的協議模塊（TCP、UDP等），如果不是，則判斷IP層是否配置為路由器，如果是，則轉發，如果不是，丟棄，因為主機不轉發那些不是由它生成的數據報。
IP層包含一些位於內存中的信息，稱為路由表，每次轉發數據報時，都要查詢路由表，執行最長前綴匹配法，決定挑選哪個路由表項做數據轉發。IP轉發逐跳進行，每次轉發假設離目的地更近一步，路由器和主機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鍵信息。
- 目的地：一個32位字段，用於與掩碼操作結果相匹配。掩碼：一個32位字段，用於與IP數據報中的目的IP地址做按位與操作。下一跳：下一個IP實體（路由器或者主機）的32位IP地址，數據報將被轉發到該地址。接口：用於將數據報發送給下一跳的網絡接口（網卡）。
選路過程，首先取出數據報中的目的IP地址，然後與路由條目的掩碼字段進行按位與，按位與的結果如果等於路由條目的目的地，則該條目與目的地IP匹配，該條目進入候選集合。
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發數據報的下一跳IP地址。
通過最匹配條目的網絡接口，發送到下一跳。
如果沒有匹配條目，則數據報無法交付，通過ICMP發送“主機不可達”通知發送主機。
通常路由表會有一個默認路由項目，用於默認路由，每經過一個路由器，IP首部中的TTL字段都要自減1。
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