计网 - IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？
文章目錄
- Pre
- 什么是 IP 協議？
- IP 協議的工作原理
- 分片（Fragmentation）
- 增加協議頭（IP Header）
- “魚和熊掌”不能兼得——延遲、吞吐量、丟包率
- 延遲（latency）
- 吞吐量（Throughput）
- 丟包率（Packet loss）
- 尋址（Addressing）
- IPv4 地址
- 尋址過程
- 步驟 1：找到頂層網絡
- 步驟 2：找到下一層網絡
- 步驟 3：找到再下一級網絡
- 步驟 4：定位設備
- 路由（Routing）
- 總結
- QA
- 路由和尋址的區別是什么？
- 127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同
Pre
如果說傳輸層協議，除了 TCP/UDP，我們還可以有其他選擇，比如 Google 開發的 QUIC 協議，幫助在傳輸層支持 HTTP 3.0 傳輸。
但是在網絡層，IP 協議幾乎一統天下。IP 協議目前主要有兩個版本 IPv4 和 IPv6。這一講我們先介紹 IPv4 協議。
IPv4使用范圍很大，平時工作中很容易遇到，比如開發場景、網絡優化場景、解決線上問題場景等。相信你經常會碰到一些和 IP 協議相關的名詞，比如一道常見的面試題目：路由和尋址的區別是什么？
因此，學習 IPv4 還是非常有意義的。接下來，就帶著對上面的問題，開啟今天的學習。
什么是 IP 協議？
IP 協議（Internet Protocol）是一個處于壟斷地位的網絡層協議。 IPv4 就是 IP 協議的第 4 個版本，是目前互聯網的主要網絡層協議。IPv4 為傳輸層提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底層數據鏈路層的支持。
IP 協議并不負責數據的可靠性。傳輸數據時，數據被切分成一個個數據封包。IP 協議上層的傳輸層協議會對數據進行一次拆分，IP 協議還會進一步進行拆分。進行兩次拆分是為了適配底層的設備。
數據在網絡中交換（封包交換算法），并不需要預先建立一個連接，而是任由數據在網絡中傳輸，每個節點通過路由算法幫助數據封包選擇下一個目的地。
可靠性保證數據無損地到達目的地。可靠性是 IP 協議上方的 Host-To-Host 協議保證的，比如 TCP 協議通過應答機制、窗口等保證數據的可靠性。 IP 協議自身不能保證可靠性。比如 IP 協議可能會遇到下面這幾個問題：
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封包損壞（數據傳輸過程中被損壞）；
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丟包（數據發送過程中丟失）；
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重發（數據被重發，比如中間設備通過 2 個路徑傳遞數據）；
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亂序（到達目的地時數據和發送數據不一致）。
但是 IP 協議并不會去處理這些問題，因為網絡層只專注解決網絡層的問題， 而且不同特性的應用在不同場景下需要解決的問題不一樣。對于網絡層來說，這里主要有 3 個問題要解決：
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延遲
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吞吐量
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丟包率
這三個是魚和熊掌不能兼得，我們后續會討論。
另外，IP 協議目前主要有兩種架構，一種是 IPv4，是目前應用最廣泛的互聯網協議；另一種是 IPv6，目前世界各地正在積極地部署 IPv6。
IP 協議的工作原理
- IP 協議接收 IP 協議上方的 Host-To-Host 協議傳來的數據，然后進行拆分，這個能力叫作分片（Fragmentation）。
- 然后 IP 協議為每個片段（Fragment）增加一個 IP 頭（Header），組成一個IP 封包（Datagram）。
- 之后，IP 協議調用底層的局域網（數據鏈路層）傳送數據。最后 IP 協議通過尋址和路由能力最終把封包送達目的地。
接下來具體看下完整的過程。
分片（Fragmentation）
分片就是把數據切分成片。 IP 協議通過它下層的局域網（鏈路層）協議傳輸數據，因此需要適配底層傳輸網絡的傳輸能力。數據太大通常就不適合底層網絡傳輸，這就需要把大的數據切片。 當然也可能選擇不切片，IP 協議提供了一個能力就是把封包標記為不切片，當底層網絡看到不切片的封包，又沒有能力傳輸的時候，就會丟棄這個封包。你要注意，在網絡環境中往往存在多條路徑，一條路徑斷了，說不定其他路徑可以連通。
增加協議頭（IP Header）
切片完成之后，IP 協議會為每個切片（數據封包 Datagram）增加一個協議頭。一個 IPv4 的協議頭看上去就是如下圖所示的樣子：
其中分成 4 個部分。
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最重要的是原地址和目標地址。IPv4 的地址是 4 組 8 位的數字，總共是 32 位。
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Type Of Service 服務的類型，是為了響應不同的用戶訴求，用來選擇延遲、吞吐量和丟包率之間的關系。
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IHL（Internet Header Length）用來描述 IP 協議頭的大小。所以 IP 協議頭的大小是可變的。IHL 只有 4 位，最大值 1111 = 15。最大是 15 個雙字0.0（15*4 字節 = 60 字節）。
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Total Length 定義報文（封包 Datagram）的長度。
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Identification（報文的 ID），發送方分配，代表順序。
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Fragment offset 描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。
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Time To Live 描述封包存活的時間。因此每個 IP 封包發送出去后，就開始銷毀倒計時。如果倒計時為 0，就會銷毀。比如中間的路由器看到一個 TTL 為 0 的封包，就直接丟棄。
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Protocol 是描述上層的協議，比如 TCP = 6，UDP = 17。
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Options 代表可選項。
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Checksum 用來檢驗封包的正確性，如果 Checksum 對不上，就需要選擇丟棄這個封包。
“魚和熊掌”不能兼得——延遲、吞吐量、丟包率
上面我們看到 IPv4 協議中提供了一個叫作 Type of Service（服務類型）的字段。這個字段是為了在延遲、吞吐量和丟包率三者間選擇。
延遲（latency）
延遲指的是 1 bit 的數據從網絡的一個終端傳送到另一個終端需要的時間。這個時間包括在發送端準備發送的時間、排隊發送的時間、發送數據的時間、數據傳輸的時間等。
吞吐量（Throughput）
吞吐量指單位時間內可以傳輸的平均數據量。比如用 bit/s 作為單位，就是 bps。吞吐量和延遲沒有聯系，比如延遲很高的網絡，有可能吞吐量很高?？梢灶惐瘸伤芎艽罅魉俸苈?#xff0c;對比水管很細流速很快，這兩種情況，最終流量可以是相等的。
丟包率（Packet loss）
丟表率指發送出去的封包沒有到達目的地的比例。 在最大流速確定的網絡中，丟表率會直接影響吞吐量。
我們的網絡有時候需要低延遲，比如玩一款 RTS 游戲或者 Moba 游戲，這種時候延遲非常重要。另外如果把延遲看作一個平均指標，丟包也會影響延遲——一個包丟了，需要重發。而有的應用需要高吞吐量，延遲不是很重要，比如說網盤下載文件。大部分應用期望丟包不能太嚴重，比如語音電話，少量丟包還能聽清，大量丟包就麻煩了，根本聽不清對方說什么。嚴格希望不丟包的應用比較少，只有極特殊的網絡控制管理場景，才需要在互聯網層要求不丟包。
當然這三個條件，通常不能同時滿足。如果同時追求延遲、吞吐量、丟包率，那么對網絡設備的要求就會非常高，說白了就會非常貴。
因此 IP 協議頭中的 Type of Service 字段里，有以下 4 種主要的類型可以選擇：
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低延遲
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高吞吐量
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低丟包率
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低成本
尋址（Addressing）
地址想要表達的是一個東西在哪里。尋址要做的就是：給一個地址，然后找到這個東西。IPv4 協議的尋址過程是逐級尋址。
IPv4 地址
IPv4 地址是 4 個 8 位（Octet）排列而成，總共可以編址 43 億個地址。
比如 103.16.3.1 就是一個合法的 Ipv4 地址。4 組數字用.分開，是為了讓人可讀，實際上在內存和傳輸過程中，就是直接用 32 位。
可以觀察一下103.16.3.1的二進制，如下圖所示：
尋址過程
尋址就是如何根據 IP 地址找到設備。因為 IPv4 的世界中，網絡是一個樹狀模型。頂層有多個平行的網絡，每個網絡有自己的網絡號。然后頂層網絡下方又有多個子網，子網下方還有子網，最后才是設備。
IP 協議的尋址過程需要逐級找到網絡，最后定位設備。下面我們具體分析下這個過程。
步驟 1：找到頂層網絡
比如103.16.3.1最頂層的網絡號可以和255.0.0.0（子網掩碼）做位與運算得到，如下所示：
復制代碼
103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的頂層網絡。255.0.0.0.稱作子網掩碼。子網掩碼的作用就是幫助根據 IP 地址找到對應子網。子網掩碼是很多個1接著很多個0，和 IP 地址一起使用。
步驟 2：找到下一層網絡
接下來要找到下一級網絡，就需要用 IP 地址和下一級的子網掩碼做位與運算。 比如：
103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0其中103.16.0.0就是下一級的網絡號。
步驟 3：找到再下一級網絡
接下來使用255.255.255.0子網掩碼找到下一級網絡是103.16.3.0。
步驟 4：定位設備
設備就在子網103.16.3.0中，最終找到的設備號是1。
當然子網掩碼也不一定都是255，比如這個子網掩碼255.240.0.0也是可以的。但通常我們把 IPv4 的網絡分成這樣 4 層。
路由（Routing）
在尋址過程中，數據總是存于某個局域網中。如果目的地在局域網中，就可以直接定位到設備了。如果目的地不在局域網中，這個時候，就需再去往其他網絡。
由于網絡和網絡間是網關在連接，因此如果目的地 IP 不在局域網中，就需要為 IP 封包選擇通往下一個網絡的路徑，其實就是選擇其中一個網關。你可能會問：網關有多個嗎？如果一個網絡和多個網絡接壤，那自然需要多個網關了。下圖中，路由器在選擇 IP 封包下一個應該是去往哪個 Gateway？
假如，我們要為 IP 地址 14.215.177.38 尋址，當前路由器所在的網絡的編號是16.0.0.0。那么我們就需要知道去往 14.0.0.0 網絡的 Gateway IP 地址。
如果你在當前網絡中用route查看路由表，可能可以看到一條下面這樣的記錄。
Destination：14.0.0.0Gateway：16.12.1.100Mask：255.0.0.0Iface：16.12.1.1這條記錄就說明如果你要去往 14.0.0.0 網絡，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 進行位運算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的網卡（IFace）是 16.12.1.1。
當封包去向下一個節點后，會進入新的路由節點，然后會繼續上述路由過程，直到最終定位到設備。
總結
這里我們梳理學習了 IP 協議和 IP 協議的工作原理。
- 首先 IP 協議會進行分片，將上游數據拆成一個個的封包（Datagram），
- 然后為封包增加 IP 頭部。封包發送出去后，就開始了尋址過程。尋址就是找到 IP 地址對應的設備。在局域網內，如果找不到設備，就需要路由。
- 路由就是找到數據應該往哪里發送。最后通過層層路由定位到具體的設備。
QA
路由和尋址的區別是什么？
尋址（Addressing）就是通過地址找設備。和現實生活中的尋址是一樣的，比如根據地址找到一個公寓。在 IPv4 協議中，尋址找到的是一個設備所在的位置。
路由（Routing）本質是路徑的選擇。就好像知道地址，但是到了每個十字路口，還需要選擇具體的路徑。
所以，要做路由，就必須能夠理解地址，也就是需要借助尋址的能力。要通過尋址找到最終的設備，又要借助路由在每個節點選擇數據傳輸的線路。因此，路由和尋址，是相輔相成的關系。
127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同
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127.0.0.1是本地回環地址（loopback），發送到 loopback 的數據會被轉發到本地應用。
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localhost 指代的是本地計算機，用于訪問綁定在 loopback 上的服務。localhost 是一個主機名，不僅僅可以指向 IPv4 的本地回環地址，也可以指向 IPv6 的本地回環地址 [::1]。
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0.0.0.0是一個特殊目的 IP 地址，稱作不可路由 IP 地址，它的用途會被特殊規定。通常情況下，當我們把一個服務綁定到0.0.0.0，相當于把服務綁定到任意的 IP 地址。比如一臺服務器上有多個網卡，不同網卡連接不同的網絡，如果服務綁定到 0.0.0.0 就可以保證服務在多個 IP 地址上都可以用。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计网 - IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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