1.5 IP报文结构与IP编址
视频讲解
按TCP/IP由下往上的顺序，本节讲解网络层协议相关的内容，如图1.34所示。网络层包含了许多协议，其中最为重要的是IP。IP是网络层其他协议的基础，扎实掌握IP之后，学习其他的协议会简单得多。下面讲解IP报文具体结构及其工作背景，以及IP编址规则。
图1.34 按由下往上的顺序学习协议栈
1.5.1 IP报文结构
1.4节介绍以太网帧结构的时候提到以太网帧中的Type字段值为0x0800时，表示该帧的网络层协议为IP协议，如图1.35所示。
图1.35 包含IP报文的以太网帧
确定这是一个IP报文之后，链路层去掉帧头和帧尾，然后交给IP协议处理。IP头包含哪些字段，为什么需要这些字段，它们都是做什么用的？下面将详细介绍。
IP头总长度为20~60B，最少20B，这是固定的部分。此外还有可选项IP Options，在特殊场景中需要用到这个字段，通常不填，需要时最长40B。所以，IP头部长度范围是20~60B，不固定，如图1.36所示。
图1.36 IP头部结构
Version：用来区分IPv4和IPv6报文，IPv4取值为4，IPv6取值为6。
Header Length：表示IP头长度，一般情况下这个值是20，如果有IP Options字段，取值会大于20，但是不超过60。
DS Field：Different Service Field，区分服务字段。工作背景：网络中可以发送不同业务数据，例如语音、电视、邮件等。不同业务对网络质量要求不一样，语音业务稍微出现延迟或者丢包，用户会明显感觉通话质量下降；邮件业务延迟1~2s基本没影响，甚至延迟1min也可以接受。为了提高用户体验，需要为不同的业务提供不同的处理优先级，语音报文要优先转发，邮件报文则可以降低一点优先级。DS Field用于给不同的报文贴上优先级标签，例如将语音报文的DS设置成7，邮件报文设置成1，网络设备就可以根据这个优先级提供不同服务。在网络出现拥塞的情况下，会优先发送高优先级的报文，保证不会丢包和延迟。
Total Length：IP报文总长度，Total Length-Header Length=Data Length。IP报文总长度减去头部长度，就是数据部分的总长度。
下面介绍几个与包分片相关的字段：Identification、Flags和Fragment Offset。如图1.37所示。
图1.37 IP分片相关的字段
工作背景：报文在网络设备上转发的时候有时需要做分片处理，如图1.38所示。路由器接口有一个参数是MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元），表示当前接口最大转发报文长度，默认值是1500，可以根据实际情况配置为其他值。
如果路由器左右两边接口的MTU参数不一样，左边是1500B，右边是1400B，此时主机A发送一个1500B的报文给主机B，经过路由器的时候，路由器会对该报文做分片处理，分成2片，第一片1400B，第二片100B。
主机B收到这两个分片的时候，如何判断这是独立的两个报文，还是同一个报文的两个分片呢？这个时候就需要用到分片标识进行判断，分片标识共3个字段：
Identification：分片编号，同一个报文的不同分片取值相同，如图1.39中的分片1、分片2、Identification值都是99，主机B就可以判断这两个分片是同一个报文的。
图1.38 分片应用背景
图1.39 分片标志位设置
Flags：分片标志，用来标识是否还有更多分片。图1.39中分片1的Flags值设置为1，表示后面还有分片，主机B收到这个报文会先放到缓存，等待后面分片到齐；分片2的Flags设置为0，表示后面没有分片了，主机B看到这个标识就会整合所有分片，还原为最初的报文，然后进一步处理。
Fragment Offset：分片偏移量，用来定位分片在原始报文的位置，分片1的偏移量是0，分片2的偏移量是1400。在这个例子里只有2个分片，通过Flags即可判断哪个先哪个后，如果分片数量超过3个，就必须通过这个偏移量确定分片的先后顺序。
下面介绍一个常用的参数Time to Live，报文生存时间，如图1.40所示。
图1.40 Time to Live生存时间
Time to Live：简称TTL，用来防止网络环回。应用场景：如图1.41所示，主机A和主机B之间有3个路由器A、B、C，通常情况下主机A发报文给主机B，应该是经过路由器A，路由器B，然后到达主机B，但是有时候路由器配置不当会导致报文到达路由器B之后，并没有交给主机B，而是交给路由器C，然后路由器C又交给路由器A，产生环回。
图1.41 TTL应用场景
环回报文如果不进行消除，会越积越多，最后导致设备崩溃。TTL可以消除环回。
工作原理：主机A发出报文的时候，TTL设置为255，在网络中转发，每经过一个3层网络设备TTL值就减1，因此TTL在报文从路由器A传到路由器B的时候变成254，从路由器B传到路由器C的时候变成253，依次递减。如果网络出现环路，经过255次转发之后TTL=0。任何网络设备收到一个报文，如果它的TTL=0，就直接丢弃。这样就可以消除报文无限环回。
注：丢弃报文的设备会根据报文头中的源IP地址向源端发送ICMP错误消息。
下面介绍Protocol参数的作用，如图1.42所示。
图1.42 Protocol字段
网络层在接收并处理报文后，要确定下一步如何处理报文。IP报文头中的协议字段标识了下一步将交给哪个协议处理。与以太帧头中的Type字段类似，协议字段也是一个十六进制数。该字段可以标识ICMP（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议，对应值0x01），也可以标识TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议，对应值0x06）和UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议，对应值0x11），如图1.43所示。
图1.43 IP头Protocol字段含义
如果Protocol字段为0x06，那么主机会去掉IP头部，然后把里面的数据交给TCP处理。其他值的处理与此相似，都会分别交给相应的协议处理。
下面介绍IP头部的后面3个参数：Header Checksum、Source IP和Destination IP。
Header Checksum：头部校验和，是将IP头部的所有字段用特定算法做运算，得出的一串校验数字，用来检验收到的IP头部是否和最初发的一致。
Source IP Address：源IP地址，指报文发送端的IP地址。
Destination IP Address：目标IP地址，指接收端的IP地址。
IP Options：可选参数，该字段平时用得很少，有兴趣可以自己查询资料学习，这里不展开介绍。
IP头的参数相对较多，重点要理解每个参数的工作背景。
1.5.2 IP编址
主机之间一般是通过IP地址互相通信，例如主机A通过ping 192.168.1.3检测主机C是否可达，192.168.1.3就是主机C的IP地址。如图1.44所示。
图1.44 主机间用IP地址互相通信
192.168.1.3这个IP地址实际上由两部分组成，分别是网络位和主机位，如图1.45所示。
图1.45 主机C的IP地址组成
网络位标识的是一个网络，在这个网络里可以有多个主机。主机位标识的是主机在网络中的编号，例如主机A的编号是1，主机B的编号是2，主机C的编号是3，主机D的编号是4，这4个主机在同一个网络里面，网络编号是192.168.1。通过网络编号+主机编号就可以确定一个主机的具体IP地址。
同一个网络里的主机通信时可以直接发送报文，例如主机A ping主机C时，发现目标IP 192.168.1.3与自己的IP 192.168.1.1处于同一个网络，就可以直接封装以太网报文，MAC地址填主机C的MAC地址，然后发给对方。
如果主机A ping另外一个网络里面的主机F，它的IP地址是192.168.2.1，此时主机F的网络编号是192.168.2，主机A发现其与自己处于不同的网络，不能直接通信，需要将报文发给网关，由网关进行转发。此时，主机A发出来的以太网帧的目标MAC是网关的MAC地址，如图1.46所示。
可以看到，网络编号决定了主机发送报文时的发送对象，如果目标网络编号与自己的相同，直接发送；如果不同，则发给网关，由网关转发。
在实际应用中，主机位取值为0的IP地址表示一个网络号，一般用于路由表，以节省路由条目。如图1.47所示。
主机位取值全1的IP地址是一个广播地址，用来在当前网段内广播报文，如192.168.1.255。广播报文对应的以太网帧中，目标MAC也是一个广播MAC，取值FF-FF-FF-FF-FF-FF。
每一个网段内都有2个特殊IP地址，一个是主机位取值全0，另一个是主机位取值全1。
图1.46 不同网络主机间的通信
图1.47 网络号的应用
IP地址长度是4B，每字节8位，可以表示的数值范围是0~255，十进制和二进制的对应关系如图1.48所示。
图1.48 十进制和二进制的对应关系
一个二进制数如何转化成十进制数呢，如00101011对应的十进制数是多少？图1.49中对应的是8位二进制数，哪一位取值是1，就将其对应的数值加起来，00101011共有4位取值为1，对应的数值分别是32、8、2、1，全部相加的和是43，对应的十进制数就是43，如图1.49所示。
图1.49 二进制转十进制
反过来，一个十进制数如何换算成二进制数，如十进制数43对应的二进制数是多少？将43不断被2除，得到的一系列余数逆序排列就是对应的二进制数。43/2=21，余1；21/2=10，余1；10/2=5，余0，以此类推，一直除到商等于0，不足位用0补齐，如图1.50所示。最终得到00101011。
4字节的IP地址，每字节换算成十进制之后，十进制数之间用点号隔开，得到的就是对应的IP地址。如图1.51所示。
图1.50 十进制转二进制
图1.51 IP地址的换算
192.168.1.1这个IP地址的网络位占3B，主机位占1B，为什么网络位占3B，而不是1B或2B呢？这是由IP地址的取值范围决定的，IPv4地址总共分为5类，每一类对应的网络位长度和取值范围都不一样。
如图1.52所示，A类IP地址网络位占1B，主机位占3B，其中网络位的最高位取值固定为0，则网络位的取值范围是00000000~01111111，对应的十进制数是0~127。
那么100.1.1.1这个IP地址的网络位应该是几字节呢？因为100在0~127之间，所以这是一个A类地址，对应的网络位长度就是1B。
B类地址网络位占2B，最左边2位取固定值10，网络号范围128.0~191.255。
C类地址网络位占3B，最左边3位取固定值110，网络号范围192.0.0~223.255.255。
D类地址没有网络位，最左边4位取固定值1110，用作组播地址。
E类地址也没有网络位，最左边4位取固定值1111，目前没有使用。
图1.52 IPv4地址分类
可以看出，不同类的IP地址取值范围不一样，根据IP地址的取值就可以判断其属于哪一类，网络位占几位。
IP地址分公网IP地址和私网IP地址，使用公网IP地址可以在全世界范围内找到目标主机。不同国家使用的公网IP地址范围不一样，由国际组织统一分配。私网IP地址只在私有网络内部使用，不同国家、不同公司的内部私网可以使用相同的私网IP地址，互不影响。
私网IP地址范围：
A类：10.0.0.0~10.255.255.255
B类：172.16.0.0~172.31.255.255
C类：192.168.0.0~192.168.255.255
此外还有一些特殊IP地址：
127.0.0.0~127.255.255.255：用于本地环回，如127.0.0.1，无论有没有连接网络，ping 127.0.0.1这个地址总能成功，如果不成功就表示网卡有故障。
0.0.0.0：用于默认路由。
255.255.255.255：用于全网广播。
除了私网IP地址和特殊IP地址之外的都是公网IP地址。
实际应用中，除了配置主机IP地址之外，通常还需要配置子网掩码，如图1.53所示。
子网掩码做什么用呢？前面介绍网络号的时候提到过，主机发送报文前需要判断目标IP地址是否和自己处于同一个网络，如果是就直接发送，如果不是就发给网关。
那么怎么判断目标IP地址是否和自己处于同一个网络呢？这个时候就需要用子网掩码计算，子网掩码由一串连续的1和0组成，前半部分全是1，后半部分全部是0，如255.0.0.0、255.255.0.0。0和1不能混插，如255.0.255.0就不是一个合法的子网掩码。
图1.53 IP地址和子网掩码
主机A的IP地址是192.168.1.3，子网掩码是255.255.255.0，目标IP地址是192.168.1.7，此时主机怎么进行计算呢？首先主机会用自己的子网掩码和目标IP地址进行与运算，算出目标IP地址的网络号，如图1.54所示，先展开成二进制，然后做与运算，最后再还原成十进制。
图1.54 网络地址计算过程
同样地，主机A也会将自己的IP地址192.168.1.3和子网掩码做与运算，得到的网络号是192.168.1.0。通过比较，发现目标IP地址的网络号与自己的网络号相同，就可以判断目标主机和自己处于同一个网络，否则就是在不同网络。
在明确告知子网掩码的情况下，可以很容易算出网络号。如果没有明确子网掩码，能不能算出网络号呢？如IP地址：111.102.3.189、129.132.143.7，这两个IP地址的网络号分别是多少？
前面介绍IP地址分类的时候，我们知道不同类的IP地址有不同取值范围，111在范围0~127内，表明这是A类地址，网络位1B，默认的子网掩码是255.0.0.0，因此它的网络号是111.0.0.0。129在128~191范围内，表明这是B类地址，网络位2B，默认的子网掩码是255.255.0.0，因此它的默认网络号是129.132.0.0。
下面介绍可用主机数的概念。我们知道一个主机IP地址由2部分组成，前面是网络号，后面是主机号。A类地址主机号占3B；B类地址主机号2B；C类地址主机号占1B，如图1.55所示。
图1.55 C类地址的主机号
1B可以表示的值的范围是00000000~11111111，共256个值。其对应的IP地址范围是192.168.1.0~192.168.1.255，其中主机位全0和全1有特殊用途，分别表示网络号和广播地址。那么可以分配给主机使用的IP地址范围是192.168.1.1~192.168.1.254，共2n-2（256-2=254）个。
在实际应用中，直接使用A类，B类或者C类地址都会出现浪费情况，如图1.56所示。3个网段：
网段A的网络号是192.168.1.0，共30台主机，将会浪费224个IP地址；
网段B的网络号是192.168.2.0，共20台主机，将会浪费234个IP地址；
网段C的网络号是192.168.3.0，共10台主机，将会浪费244个IP地址。
（注：子网掩码通常用掩码长度表示，如255.0.0.0，用数字8表示网络号长度，255.255.255.0用数字24表示。192.168.1.1/24表示IP地址是192.168.1.1，掩码是255.255.255.0。）
图1.56 IP地址浪费现象
这是C类地址的情况，如果是A类，或者B类，主机位分别是3B和2B，地址浪费更严重。怎样才能避免IP地址浪费呢？可以用变长子网掩码（Variable-Length Subnet Masking，VLSM）解决。
192.168.1.0是C类网段，默认子网掩码是255.255.255.0，为了避免IP地址浪费，可以将掩码扩展2位，如图1.57所示，扩展后的子网掩码由24位变成26位，对应的十进制数子网掩码是255.255.255.192。
2位可表示的值有00、01、10、11，因此就可以将原来的192.168.1.0网段划分为4个子网，这4个子网的网络号如图1.57所示。
图1.57 变长子网掩码
这4个子网的可用主机位由原来的8位减为6位，可用的IP数是2n-2，也就是26-2=62个。
这里问个问题，扩展子网掩码后192.168.1.65与192.168.1.130是处于同一个子网吗？参照图1.57可以看出这两个IP地址处于不同子网。
通过子网划分后，每个子网支持62台主机IP地址，可以满足原来的组网要求，同时避免了IP地址浪费，如图1.58所示。每个子网62台主机，还会有一点浪费，还可以再次扩展掩码，减少浪费吗？自己尝试计算一下。
图1.58 子网划分
需要注意，子网划分时只能扩展，不能收缩，如192.168.1.0/24网段可以扩展成25、26、27位掩码，但是不能缩减成23、22位掩码。
下面再介绍一种跟子网掩码有关的场景。如图1.59所示，路由器右边有4个网段，路由表就有4个条目，向外通告的时候也有4个条目。这4个条目非常相似，有没有办法合成1个条目，提高通告效率呢？
图1.59 路由通告
实际上这4个条目，除了第三字节有差异之外，其他字节都是一样的。把第三字节展开成二进制之后，里面又有6位一样，如图1.60所示。
图1.60 第三字节二进制展开
4个不同网段的前22位一样，因此，通告路由的时候可以只通告10.24.0.0/22一条路由，提高了效率，如图1.61所示。
在实际应用中，路由表会非常庞大，将路由精简，不仅提高了通告效率，也减轻了其他路由器的负担。这个精简路由的技术称为无类域间路由（Classless Inter Domain Routing，CIDR），也称为路由聚合。
图1.61 精简路由通告条目
1.5.3 小结
本节首先介绍了IP头部各字段的含义及其相关的工作背景，然后介绍了IP地址的结构及5种不同的IP地址分类，最后介绍了变长子网掩码和无类域间路由。
本节介绍的每个知识点都很重要，在整个NA课程里面是核心知识点，同时因为相对来说比较抽象，也是难点，需要熟练理解掌握。学习的关键是要理解它们的工作背景并稍加记忆，同时多做练习。
练习题：
1．公司某主机IP地址是193.168.1.3，它的网络号是多少？这是公网IP地址还是私网IP地址？如果公司有5个子网，每个子网的主机数分别是24、28、10、15、7，应该如何划分子网，子网掩码应该是多长？对应的网络号是多少？
2．10.12.13.194/23与10.12.13.234/23属于同一个子网吗？
3．IP头部TTL字段的作用是什么？
4．子网掩码的作用是什么，在什么情况下主机会用到？