IP即網(wǎng)際協(xié)議

TCP/IP的心臟是互聯(lián)網(wǎng)層。這一層主要由IP（Internet Protocol）和ICMP（Internet Control Message Protocol）兩個協(xié)議組成。

IP相當(dāng)于OSI參考模型的第3層

IP（IPv4、IPv6）相當(dāng)于OSI參考模型中的第3層——網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是“實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)之間的通信”。這種終端節(jié)點(diǎn)之間的通信也叫“點(diǎn)對點(diǎn)（end-to-end）通信”。

網(wǎng)絡(luò)層的下一層——數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是在互連同一種數(shù)據(jù)鏈路的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行包傳遞。而一旦跨越多種數(shù)據(jù)鏈路，就需要借助網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層可以跨越不同的數(shù)據(jù)鏈路，即使是在不同的數(shù)據(jù)鏈路上也能實(shí)現(xiàn)兩端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包傳輸。

■ 主機(jī)與節(jié)點(diǎn)在互聯(lián)網(wǎng)世界中，將那些配有IP地址的設(shè)備叫做“主機(jī)”。這里的主機(jī)可以是超大型計算機(jī)，也可以是小型計算機(jī)。
這是因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)在當(dāng)初剛發(fā)明的時候，只能連接這類大型的設(shè)備，因此習(xí)慣上就將配有IP地址的設(shè)備稱為“主機(jī)”。然而，準(zhǔn)確地說，主機(jī)的定義應(yīng)該是指“配置有IP地址，但是不進(jìn)行路由控制（是指中轉(zhuǎn)分組數(shù)據(jù)包。） 的設(shè)備”。
既配有IP地址又具有路由控制能力的設(shè)備叫做“路由器”，跟主機(jī)有所區(qū)別。
而節(jié)點(diǎn)則是主機(jī)和路由器的統(tǒng)稱（在IPv4的規(guī)范中，將具有路由控制功能的設(shè)備叫做“網(wǎng)關(guān)”，然而現(xiàn)在都普遍叫做路由器（或3層交換機(jī)）。） 。

網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)系

數(shù)據(jù)鏈路層提供直連兩個設(shè)備之間的通信功能。與之相比，作為網(wǎng)絡(luò)層的IP則負(fù)責(zé)在沒有直連的兩個網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信傳輸。那么為什么一定需要這樣的兩個層次呢？它們之間的區(qū)別又是什么呢？

在此，我們以旅行為例說明這個問題。有個人要去一個很遠(yuǎn)的地方旅行，并且計劃先后乘坐飛機(jī)、火車、公交車到達(dá)目的地。為此，他決定先去旅行社購買機(jī)票和火車票。

旅行社不僅為他預(yù)訂好了旅途過程中所需要的機(jī)票和火車票，甚至為他制定了一個詳細(xì)行程表，詳細(xì)到幾點(diǎn)幾分需要乘坐飛機(jī)或火車都一目了然。

當(dāng)然，機(jī)票和火車票只有特定區(qū)間內(nèi)有效，當(dāng)你換乘不同公司的飛機(jī)或火車時，還需要重新購票。

仔細(xì)分析一下機(jī)票和火車票，不難發(fā)現(xiàn)，每張票只能夠在某一限定區(qū)間內(nèi)移動。此處的“區(qū)間內(nèi)”就如同通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)鏈路。而這個區(qū)間內(nèi)的出發(fā)地點(diǎn)和目的地點(diǎn)就如同某一個數(shù)據(jù)鏈路的源地址和目標(biāo)地址等首部信息（出發(fā)地點(diǎn)好比源MAC地址，目標(biāo)地點(diǎn)好比目的MAC地址。） 。整個全程的行程表的作用就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)層。

如果我們只有行程表而沒有車票，就無法搭乘交通工具到達(dá)目的地。反之，如果除了車票其他什么都沒有，恐怕也很難到達(dá)目的地。因?yàn)槟悴恢涝撟裁窜?#xff0c;也不知道該在哪里換乘。因此，只有兩者兼?zhèn)?#xff0c;既有某個區(qū)間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達(dá)目的地。與之類似，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中也需要數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層這個分層才能實(shí)現(xiàn)向最終目標(biāo)地址的通信。

IP基礎(chǔ)知識

IP大致分為三大作用模塊，它們是IP尋址、路由（最終節(jié)點(diǎn)為止的轉(zhuǎn)發(fā)）以及IP分包與組包。以下就這三個要點(diǎn)逐一介紹。

IP地址屬于網(wǎng)絡(luò)層地址

在計算機(jī)通信中，為了識別通信對端，必須要有一個類似于地址的識別碼進(jìn)行標(biāo)識。MAC地址正是用來標(biāo)識同一個鏈路中不同計算機(jī)的一種識別碼。

作為網(wǎng)絡(luò)層的IP，也有這種地址信息。一般叫做IP地址。IP地址用于在“連接到網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)中識別出進(jìn)行通信的目標(biāo)地址”。因此，在TCP/IP通信中所有主機(jī)或路由器必須設(shè)定自己的IP地址（嚴(yán)格來說，要針對每塊網(wǎng)卡至少配置一個或一個以上的IP地址。） 。
不論一臺主機(jī)與哪種數(shù)據(jù)鏈路連接，其IP地址的形式都保持不變。以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、PPP等，都不會改變IP地址的形式（數(shù)據(jù)鏈路的MAC地址的形式不一定必須一致。） 。網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)鏈路層的某些特性進(jìn)行了抽象。數(shù)據(jù)鏈路的類型對IP地址形式透明，這本身就是其中抽象化中的一點(diǎn)。

另外，在網(wǎng)橋或交換集線器等物理層或數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中，不需要設(shè)置IP地址（在用SNMP進(jìn)行網(wǎng)路管理時有必要設(shè)置IP地址。不指定IP則無法利用IP進(jìn)行網(wǎng)路管理。） 。因?yàn)檫@些設(shè)備只負(fù)責(zé)將IP包轉(zhuǎn)化為0、1比特流轉(zhuǎn)發(fā)或?qū)?shù)據(jù)鏈路幀的數(shù)據(jù)部分進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而不需要應(yīng)對IP協(xié)議（反之，這些設(shè)備既可以在IPv4環(huán)境中使用，也可以在IPv6環(huán)境中使用。） 。

路由控制

路由控制（Routing）是指將分組數(shù)據(jù)發(fā)送到最終目標(biāo)地址的功能。即使網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，也可以通過路由控制確定到達(dá)目標(biāo)地址的通路。一旦這個路由控制的運(yùn)行出現(xiàn)異常，分組數(shù)據(jù)極有可能“迷失”，無法到達(dá)目標(biāo)地址。因此，一個數(shù)據(jù)包之所以能夠成功地到達(dá)最終的目標(biāo)地址，全靠路由控制。

■ 發(fā)送數(shù)據(jù)至最終目標(biāo)地址

Hop譯為中文叫“跳”。它是指網(wǎng)絡(luò)中的一個區(qū)間。IP包正是在網(wǎng)絡(luò)中一個個跳間被轉(zhuǎn)發(fā)。因此IP路由也叫做多跳路由。在每一個區(qū)間內(nèi)決定著包在下一跳被轉(zhuǎn)發(fā)的路徑。

■ 一跳的范圍一跳（1 Hop）是指利用數(shù)據(jù)鏈路層以下分層的功能傳輸數(shù)據(jù)幀的一個區(qū)間。以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)鏈路中使用MAC地址傳輸數(shù)據(jù)幀。此時的一跳是指從源MAC地址到目標(biāo)MAC地址之間傳輸幀的區(qū)間。
也就是說它是主機(jī)或路由器網(wǎng)卡不經(jīng)其他路由器而能直接到達(dá)的相鄰主機(jī)或路由器網(wǎng)卡之間的一個區(qū)間。
在一跳的這個區(qū)間內(nèi)，電纜可以通過網(wǎng)橋或交換集線器相連，不會通過路由器或網(wǎng)關(guān)相連。

多跳路由是指路由器或主機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包時只指定下一個路由器或主機(jī)，而不是將到最終目標(biāo)地址為止的所有通路全都指定出來。因?yàn)槊恳粋€區(qū)間（跳）在轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包時會分別指定下一跳的操作，直至包達(dá)到最終的目標(biāo)地址。

以乘坐火車旅游為例具體說明。

在前面的例子中，雖然已經(jīng)確定了最終的目標(biāo)車站，但是一開始還是不知道如何換乘才能到達(dá)這個終極目標(biāo)地址。因此，工作人員給出的方法是首先去往最近的一個車站，再咨詢這一車站的工作人員。而到了這個車站以后再詢問工作人員如何才能達(dá)到最終的目標(biāo)地址時，仍然得到同樣的建議：乘坐某某線列車到某某車站以后再詢問那里的工作人員。

于是，該乘客就按照每一個車站工作人員的指示，到達(dá)下一車站以后再繼續(xù)詢問車站的工作人員，得到類似的建議。

因此，即使乘客不知道其最終目的地的方向也沒有關(guān)系。可以通過每到一個車站咨詢工作人員的這種極其偶然（英文叫做“Ad Hoc”，是指具有偶然性的、在各跳之間無計劃傳輸?shù)囊馑?。尤其在談到IP時經(jīng)常會用到該詞。） 的方法繼續(xù)前進(jìn)，也可以到達(dá)最終的目標(biāo)地址。

IP數(shù)據(jù)包的傳輸亦是如此。可以將旅行者看做IP數(shù)據(jù)包，將車站和工作人員看做路由器。當(dāng)某個IP包到達(dá)路由器時，路由器首先查找其目標(biāo)地址（IP包被轉(zhuǎn)發(fā)到途中的某個路由器時，實(shí)際上是裝入數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀以后再被送出。以以太網(wǎng)為例，目標(biāo)MAC地址就是下一個路由器的MAC地址。） ，從而再決定下一步應(yīng)該將這個包發(fā)往哪個路由器，然后將包發(fā)送過去。當(dāng)這個IP包到達(dá)那個路由器以后，會再次經(jīng)歷查找下一目標(biāo)地址的過程，并由該路由器轉(zhuǎn)發(fā)給下一個被找到的路由器。這個過程可能會反復(fù)多次，直到找到最終的目標(biāo)地址將數(shù)據(jù)包發(fā)送給這個節(jié)點(diǎn)。

這里還可以用快遞的送貨方式來打比方。IP數(shù)據(jù)包猶如包裹，而送貨車猶如數(shù)據(jù)鏈路。包裹不可能自己移動，必須有送貨車承載轉(zhuǎn)運(yùn)。而一輛送貨車只能將包裹送到某個區(qū)間范圍內(nèi)。每個不同區(qū)間的包裹將由對應(yīng)的送貨車承載、運(yùn)輸。IP的工作原理也是如此。

■ 路由控制表

為了將數(shù)據(jù)包發(fā)給目標(biāo)主機(jī)，所有主機(jī)都維護(hù)著一張路由控制表（Routing Table）。該表記錄IP數(shù)據(jù)在下一步應(yīng)該發(fā)給哪個路由器。IP包將根據(jù)這個路由表在各個數(shù)據(jù)鏈路上傳輸。

數(shù)據(jù)鏈路的抽象化

IP是實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)鏈路之間通信的協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路根據(jù)種類的不同各有特點(diǎn)。對這些不同數(shù)據(jù)鏈路的相異特性進(jìn)行抽象化也是IP的重要作用之一。數(shù)據(jù)鏈路的地址可以被抽象化為IP地址。因此，對IP的上一層來說，不論底層數(shù)據(jù)鏈路使用以太網(wǎng)還是無線LAN亦或是PPP，都將被一視同仁。

不同數(shù)據(jù)鏈路有個最大的區(qū)別，就是它們各自的最大傳輸單位（MTU：Maximum Transmission Unit）不同。就好像人們在郵寄包裹或行李時有各自的大小限制一樣。

MTU的值在以太網(wǎng)中是1500字節(jié)，在FDDI中是4352字節(jié)，而ATM則為9180字節(jié)。IP的上一層可能會要求傳送比這些MTU更多字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此必須在線路上傳送比包長還要小的MTU。

為了解決這個問題，IP進(jìn)行分片處理（IP Fragmentation）。顧名思義，所謂分片處理是指，將較大的IP包分成多個較小的IP包 。分片的包到了對端目標(biāo)地址以后會再被組合起來傳給上一層。即從IP的上次層看，它完全可以忽略數(shù)據(jù)包在途中的各個數(shù)據(jù)鏈路上的MTU，而只需要按照源地址發(fā)送的長度接收數(shù)據(jù)包。IP就是以這種方式抽象化了數(shù)據(jù)鏈路層，使得從上層更不容易看到底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的細(xì)節(jié)。

IP屬于面向無連接型

IP面向無連接。即在發(fā)包之前，不需要建立與對端目標(biāo)地址之間的連接。上層如果遇到需要發(fā)送給IP的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會立即被壓縮成IP包發(fā)送出去。

在面向有連接的情況下，需要事先建立連接。如果對端主機(jī)關(guān)機(jī)或不存在，也就不可能建立連接。反之，一個沒有建立連接的主機(jī)也不可能發(fā)送數(shù)據(jù)過來。

而面向無連接的情況則不同。即使對端主機(jī)關(guān)機(jī)或不存在，數(shù)據(jù)包還是會被發(fā)送出去。反之，對于一臺主機(jī)來說，它會何時從哪里收到數(shù)據(jù)也是不得而知的。通常應(yīng)該進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，讓主機(jī)只接收發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包。若沒有做好準(zhǔn)備很有可能會錯過一些該收的包。因此，在面向無連接的方式下可能會有很多冗余的通信。

那么，為什么IP要采用面向無連接呢？

主要有兩點(diǎn)原因：一是為了簡化，二是為了提速。面向連接比起面向無連接處理相對復(fù)雜。甚至管理每個連接本身就是一個相當(dāng)繁瑣的事情。此外，每次通信之前都要事先建立連接，又會降低處理速度。需要有連接時，可以委托上一層提供此項(xiàng)服務(wù)。因此，IP為了實(shí)現(xiàn)簡單化與高速化采用面向無連接的方式。