文章目录
- Pre
- 什么是 IP 协议？
- IP 协议的工作原理
- 分片（Fragmentation）
- 增加协议头（IP Header）
- “鱼和熊掌”不能兼得——延迟、吞吐量、丢包率
- 延迟（latency）
- 吞吐量（Throughput）
- 丢包率（Packet loss）
- 寻址（Addressing）
- IPv4 地址
- 寻址过程
- 步骤 1：找到顶层网络
- 步骤 2：找到下一层网络
- 步骤 3：找到再下一级网络
- 步骤 4：定位设备
- 路由（Routing）
- 总结
- QA
- 路由和寻址的区别是什么？
- 127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同
Pre
如果说传输层协议，除了 TCP/UDP，我们还可以有其他选择，比如 Google 开发的 QUIC 协议，帮助在传输层支持 HTTP 3.0 传输。
但是在网络层，IP 协议几乎一统天下。IP 协议目前主要有两个版本 IPv4 和 IPv6。这一讲我们先介绍 IPv4 协议。
IPv4使用范围很大，平时工作中很容易遇到，比如开发场景、网络优化场景、解决线上问题场景等。相信你经常会碰到一些和 IP 协议相关的名词，比如一道常见的面试题目：路由和寻址的区别是什么？
因此，学习 IPv4 还是非常有意义的。接下来，就带着对上面的问题，开启今天的学习。
什么是 IP 协议？
IP 协议（Internet Protocol）是一个处于垄断地位的网络层协议。 IPv4 就是 IP 协议的第 4 个版本，是目前互联网的主要网络层协议。IPv4 为传输层提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底层数据链路层的支持。
IP 协议并不负责数据的可靠性。传输数据时，数据被切分成一个个数据封包。IP 协议上层的传输层协议会对数据进行一次拆分，IP 协议还会进一步进行拆分。进行两次拆分是为了适配底层的设备。
数据在网络中交换（封包交换算法），并不需要预先建立一个连接，而是任由数据在网络中传输，每个节点通过路由算法帮助数据封包选择下一个目的地。
可靠性保证数据无损地到达目的地。可靠性是 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议保证的，比如 TCP 协议通过应答机制、窗口等保证数据的可靠性。 IP 协议自身不能保证可靠性。比如 IP 协议可能会遇到下面这几个问题：
- 封包损坏（数据传输过程中被损坏）；
- 丢包（数据发送过程中丢失）；
- 重发（数据被重发，比如中间设备通过 2 个路径传递数据）；
- 乱序（到达目的地时数据和发送数据不一致）。
但是 IP 协议并不会去处理这些问题，因为网络层只专注解决网络层的问题， 而且不同特性的应用在不同场景下需要解决的问题不一样。对于网络层来说，这里主要有 3 个问题要解决：
- 延迟
- 吞吐量
- 丢包率
这三个是鱼和熊掌不能兼得，我们后续会讨论。
另外，IP 协议目前主要有两种架构，一种是 IPv4，是目前应用最广泛的互联网协议；另一种是 IPv6，目前世界各地正在积极地部署 IPv6。
IP 协议的工作原理
- IP 协议接收 IP 协议上方的 Host-To-Host 协议传来的数据，然后进行拆分，这个能力叫作分片（Fragmentation）。
- 然后 IP 协议为每个片段（Fragment）增加一个 IP 头（Header），组成一个IP 封包（Datagram）。
- 之后，IP 协议调用底层的局域网（数据链路层）传送数据。最后 IP 协议通过寻址和路由能力最终把封包送达目的地。
接下来具体看下完整的过程。
分片（Fragmentation）
分片就是把数据切分成片。 IP 协议通过它下层的局域网（链路层）协议传输数据，因此需要适配底层传输网络的传输能力。数据太大通常就不适合底层网络传输，这就需要把大的数据切片。 当然也可能选择不切片，IP 协议提供了一个能力就是把封包标记为不切片，当底层网络看到不切片的封包，又没有能力传输的时候，就会丢弃这个封包。你要注意，在网络环境中往往存在多条路径，一条路径断了，说不定其他路径可以连通。
增加协议头（IP Header）
切片完成之后，IP 协议会为每个切片（数据封包 Datagram）增加一个协议头。一个 IPv4 的协议头看上去就是如下图所示的样子：
其中分成 4 个部分。
- 最重要的是原地址和目标地址。IPv4 的地址是 4 组 8 位的数字，总共是 32 位。
- Type Of Service 服务的类型，是为了响应不同的用户诉求，用来选择延迟、吞吐量和丢包率之间的关系。
- IHL（Internet Header Length）用来描述 IP 协议头的大小。所以 IP 协议头的大小是可变的。IHL 只有 4 位，最大值 1111 = 15。最大是 15 个双字0.0（15*4 字节 = 60 字节）。
- Total Length 定义报文（封包 Datagram）的长度。
- Identification（报文的 ID），发送方分配，代表顺序。
- Fragment offset 描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。
- Time To Live 描述封包存活的时间。因此每个 IP 封包发送出去后，就开始销毁倒计时。如果倒计时为 0，就会销毁。比如中间的路由器看到一个 TTL 为 0 的封包，就直接丢弃。
- Protocol 是描述上层的协议，比如 TCP = 6，UDP = 17。
- Options 代表可选项。
- Checksum 用来检验封包的正确性，如果 Checksum 对不上，就需要选择丢弃这个封包。
“鱼和熊掌”不能兼得——延迟、吞吐量、丢包率
上面我们看到 IPv4 协议中提供了一个叫作 Type of Service（服务类型）的字段。这个字段是为了在延迟、吞吐量和丢包率三者间选择。
延迟（latency）
延迟指的是 1 bit 的数据从网络的一个终端传送到另一个终端需要的时间。这个时间包括在发送端准备发送的时间、排队发送的时间、发送数据的时间、数据传输的时间等。
吞吐量（Throughput）
吞吐量指单位时间内可以传输的平均数据量。比如用 bit/s 作为单位，就是 bps。吞吐量和延迟没有联系，比如延迟很高的网络，有可能吞吐量很高。可以类比成水管很大流速很慢，对比水管很细流速很快，这两种情况，最终流量可以是相等的。
丢包率（Packet loss）
丢表率指发送出去的封包没有到达目的地的比例。 在最大流速确定的网络中，丢表率会直接影响吞吐量。
我们的网络有时候需要低延迟，比如玩一款 RTS 游戏或者 Moba 游戏，这种时候延迟非常重要。另外如果把延迟看作一个平均指标，丢包也会影响延迟——一个包丢了，需要重发。而有的应用需要高吞吐量，延迟不是很重要，比如说网盘下载文件。大部分应用期望丢包不能太严重，比如语音电话，少量丢包还能听清，大量丢包就麻烦了，根本听不清对方说什么。严格希望不丢包的应用比较少，只有极特殊的网络控制管理场景，才需要在互联网层要求不丢包。
当然这三个条件，通常不能同时满足。如果同时追求延迟、吞吐量、丢包率，那么对网络设备的要求就会非常高，说白了就会非常贵。
因此 IP 协议头中的 Type of Service 字段里，有以下 4 种主要的类型可以选择：
- 低延迟
- 高吞吐量
- 低丢包率
- 低成本
寻址（Addressing）
地址想要表达的是一个东西在哪里。寻址要做的就是：给一个地址，然后找到这个东西。IPv4 协议的寻址过程是逐级寻址。
IPv4 地址
IPv4 地址是 4 个 8 位（Octet）排列而成，总共可以编址 43 亿个地址。
比如 103.16.3.1 就是一个合法的 Ipv4 地址。4 组数字用.分开，是为了让人可读，实际上在内存和传输过程中，就是直接用 32 位。
可以观察一下103.16.3.1的二进制，如下图所示：
寻址过程
寻址就是如何根据 IP 地址找到设备。因为 IPv4 的世界中，网络是一个树状模型。顶层有多个平行的网络，每个网络有自己的网络号。然后顶层网络下方又有多个子网，子网下方还有子网，最后才是设备。
IP 协议的寻址过程需要逐级找到网络，最后定位设备。下面我们具体分析下这个过程。
步骤 1：找到顶层网络
比如103.16.3.1最顶层的网络号可以和255.0.0.0（子网掩码）做位与运算得到，如下所示：
复制代码
代码语言：javascript复制103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的顶层网络。255.0.0.0.称作子网掩码。子网掩码的作用就是帮助根据 IP 地址找到对应子网。子网掩码是很多个1接着很多个0，和 IP 地址一起使用。
步骤 2：找到下一层网络
接下来要找到下一级网络，就需要用 IP 地址和下一级的子网掩码做位与运算。 比如：
代码语言：javascript复制103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0其中103.16.0.0就是下一级的网络号。
步骤 3：找到再下一级网络
接下来使用255.255.255.0子网掩码找到下一级网络是103.16.3.0。
步骤 4：定位设备
设备就在子网103.16.3.0中，最终找到的设备号是1。
当然子网掩码也不一定都是255，比如这个子网掩码255.240.0.0也是可以的。但通常我们把 IPv4 的网络分成这样 4 层。
路由（Routing）
在寻址过程中，数据总是存于某个局域网中。如果目的地在局域网中，就可以直接定位到设备了。如果目的地不在局域网中，这个时候，就需再去往其他网络。
由于网络和网络间是网关在连接，因此如果目的地 IP 不在局域网中，就需要为 IP 封包选择通往下一个网络的路径，其实就是选择其中一个网关。你可能会问：网关有多个吗？如果一个网络和多个网络接壤，那自然需要多个网关了。下图中，路由器在选择 IP 封包下一个应该是去往哪个 Gateway？
假如，我们要为 IP 地址 14.215.177.38 寻址，当前路由器所在的网络的编号是16.0.0.0。那么我们就需要知道去往 14.0.0.0 网络的 Gateway IP 地址。
如果你在当前网络中用route查看路由表，可能可以看到一条下面这样的记录。
代码语言：javascript复制Destination：14.0.0.0
Gateway：16.12.1.100
Mask：255.0.0.0
Iface：16.12.1.1这条记录就说明如果你要去往 14.0.0.0 网络，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 进行位运算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的网卡（IFace）是 16.12.1.1。
当封包去向下一个节点后，会进入新的路由节点，然后会继续上述路由过程，直到最终定位到设备。
总结
这里我们梳理学习了 IP 协议和 IP 协议的工作原理。
- 首先 IP 协议会进行分片，将上游数据拆成一个个的封包（Datagram），
- 然后为封包增加 IP 头部。封包发送出去后，就开始了寻址过程。寻址就是找到 IP 地址对应的设备。在局域网内，如果找不到设备，就需要路由。
- 路由就是找到数据应该往哪里发送。最后通过层层路由定位到具体的设备。
QA
路由和寻址的区别是什么？
寻址（Addressing）就是通过地址找设备。和现实生活中的寻址是一样的，比如根据地址找到一个公寓。在 IPv4 协议中，寻址找到的是一个设备所在的位置。
路由（Routing）本质是路径的选择。就好像知道地址，但是到了每个十字路口，还需要选择具体的路径。
所以，要做路由，就必须能够理解地址，也就是需要借助寻址的能力。要通过寻址找到最终的设备，又要借助路由在每个节点选择数据传输的线路。因此，路由和寻址，是相辅相成的关系。
127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同
- 127.0.0.1是本地回环地址（loopback），发送到 loopback 的数据会被转发到本地应用。
- localhost 指代的是本地计算机，用于访问绑定在 loopback 上的服务。localhost 是一个主机名，不仅仅可以指向 IPv4 的本地回环地址，也可以指向 IPv6 的本地回环地址 [::1]。
- 0.0.0.0是一个特殊目的 IP 地址，称作不可路由 IP 地址，它的用途会被特殊规定。通常情况下，当我们把一个服务绑定到0.0.0.0，相当于把服务绑定到任意的 IP 地址。比如一台服务器上有多个网卡，不同网卡连接不同的网络，如果服务绑定到 0.0.0.0 就可以保证服务在多个 IP 地址上都可以用。
