IP协议原理详解

1. 网络地址转换

网络地址转换（Network Address Translation，NAT）诞生于1994年，它的提出是在IPv4地址资源面临枯竭的背景下，NAT在一定程度上，能够有效的解决公网地址不足的问题。

NAT的工作原理就是重写通过路由器的数据包的识别信息。 NAT路由器将其管理的内部主机发送的数据包的源IP地址由局部地址变为全局地址，从外部传输过来的数据包则做相反转换以分配到合适的内部主机。

2. IP数据报

IP协议提供不可靠无连接的数据报传输服务，IP层提供的服务是通过IP层对数据报的封装与拆封来实现的。 IP数据报是一个与硬件无关的虚拟包，由IP首部和数据区两大部分，其中IP首部是为了正确传输高层数据而加的各种控制信息，数据区包括高层协议需要传输的数据。

IP数据报的格式如下图示：

IP数据报各字段功能如下：

版本：占据4bit空间，该字段规定了数据报的IP协议版本，对于IPv4，该值为4； 对于IPv6，该值为6； 通过查看版本号，路由器能够确定如何解释IP数据报的其他部分，不同的IP版本使用不同的数据报格式

首部长度：占据4bit空间，用于记录IP首部的数据的长度； 可表示的最大十进制数是15，但是该字段所表示的数的单位是字（32bit），即当该字段为15时，首部长度就达到15*4=60字节

服务类型(TOS)：占据8bit空间，包含在IPv4首部中，以便使不同类型的IP数据报能相互区别开来。 也就是路由器根据这个字段的值来为数据报选择最合理的路径

数据报长度：占据16bit空间，是指整个IP数据报的长度（首部区+数据区），以字节为单位。 由于该字段长度为16位二进制数，因此理论上IP数据报最长可达65536个字节（事实上受物理网络的限制，要比这个数值小很多）

标识：占据16bit空间，用于表示IP层发送出去的每一份IP数据报，在发送每一份报文，该值加 1，在分片的时候，该字段会被复制到每个分片数据报中，在目标接收主机中，使用该字段判断这些数据是否属于同一个IP数据报

标志：占据3bit空间，第一位保留未用，第二位是不分片标志位，为1表示IP数据报在发送的过程中不允许进行分片，为0表示IP层在必要的时候可以对其进行分片处理； 第三位为更多分片位，为1表示该分片数据报不是整个IP数据报的最后一个分片，为0表示是整个IP数据报的最后一个分片

分片偏移量：占据13bit空间，表示当前分片所携带的数据在整个IP数据报中的相对偏移位置（以 8 字节为单位），目标主机必须受到以0偏移量开始到最高偏移量的所有分片，才能将分片进行重装为一个完整的IP数据报，并且重装IP数据报的依据就是分片的偏移量

生存时间(Time-To-Live，TTL)：占据8bit空间，用来确保数据报不会永远在网络中循环。 每当IP数据报由一台路由器处理时，该字段的值减 1，若TTL字段减为0，则该数据报必须丢弃，同时会返回一个ICMP差错报文给源主机，这样数据就不会永远在网络中漂流而占据资源

上层协议：占据8bit空间，该字段仅在一个IP数据报到达其最终目的地才会有用。 该字段的值指示了IP数据报的数据部分应交给哪个特定的传输层协议。 例如，值为6表明数据部分要交给 TCP，而值为17表明数据要交给UDP。 在 IP 数据报中的协议号所起的作用，类似于运输层报文段中端口号字段所起的作用。 常用网际协议编号如下图示：

首部检验和：占据16bit空间，用于协议头数据有效性的校验，可以保证IP报头区在传输时的正确性和完整性。 头部检验和字段是根据IP协议头计算出的检验和，它不对头部后面的数据进行计算

源IP地址：占据32bit空间，表示发送端IP地址

目标IP地址：占据32bit空间，表述目的端IP地址

选项字段：占据0~40个字节，允许IP首部被扩展，首部选项在日常生活中还是比较少使用的，因此在每个IP数据报首部中必须存在的字段是不包括选项字段的，这样能够节约开销，如果与选项字段就添加，没有就无需理会

数据区域：是IP数据报的最后的一个字段，也是最重要的内容，因为有数据区域才会有数据报首部的存在，在大多数情况下，IP数据报中的数据字段包含要交付给目标IP地址的运输层（TCP协议或UDP协议），当然数据区域也可承载其他类型的报文，如ICMP报文

3. IP协议抓包分析

使用ping -l size命令对指定IP地址ping指定大小字节的数据。 如下图示，对IP地址ping了4096个字节的数据：

打开wireshark进行抓包，监听IP地址后，在对该IP地址ping 4096字节的数据，可以抓取到如下数据包：

由于以太网数据帧的最大长度为1500个字节，因此4096字节的数据被分为了3个片。 下图中标志（Flags）字段的第三位为1表示该数据报是分片数据报，分片偏移量（Fragment offset）为0

第二段数据报的标志（Flags）字段的第三位为1表示该数据报仍然是分片数据报，此时分片偏移量（Fragment offset）为1480

第三段数据报的标志（Flags）字段的第三位为0表示是整个IP数据报的最后一个分片，此时分片偏移量（Fragment offset）为1480； 三段组成一个完整的ICMP数据报