前面我們學(xué)習(xí)了運(yùn)輸層如何為客戶端和服務(wù)器輸送數(shù)據(jù)的，提供進(jìn)程端到端的通信。那么下面我們將學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)際上是怎樣實(shí)現(xiàn)主機(jī)到主機(jī)的通信服務(wù)的。幾乎每個(gè)端系統(tǒng)都有網(wǎng)絡(luò)層這一部分。所以，網(wǎng)絡(luò)層必然是很復(fù)雜的。下面我將花費(fèi)大量篇幅來(lái)介紹一下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層的知識(shí)。

網(wǎng)絡(luò)層概述

網(wǎng)絡(luò)層是 OSI 參考模型的第三層，它位于傳輸層和鏈路層之間，網(wǎng)絡(luò)層的主要目的是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端系統(tǒng)之間透明的數(shù)據(jù)傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層的作用從表面看上去非常簡(jiǎn)單，即將分組從一臺(tái)主機(jī)移動(dòng)到另外一臺(tái)主機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，網(wǎng)絡(luò)層需要兩種功能

轉(zhuǎn)發(fā)：因?yàn)樵诨ヂ?lián)網(wǎng)中有很多路由器的存在，而路由器是構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的根本，路由器最重要的一個(gè)功能就是分組轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)某路由器的一條輸入鏈路時(shí)，該路由器會(huì)將分組移動(dòng)到適當(dāng)?shù)妮敵鲦溌?。轉(zhuǎn)發(fā)是在數(shù)據(jù)平面中實(shí)現(xiàn)的唯一功能。

在網(wǎng)絡(luò)中存在兩種平面的選擇

數(shù)據(jù)平面(data plane)：負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量，如路由器交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)表（我們后面會(huì)說(shuō)）。控制平面(control plane)：控制網(wǎng)絡(luò)的行為，比如網(wǎng)絡(luò)路徑的選擇。路由選擇：當(dāng)分組由發(fā)送方流向接收方時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層必須選擇這些分組的路徑。計(jì)算這些路徑選擇的算法被稱為路由選擇算法(routing algorithm)。

也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)發(fā)是指將分組從一個(gè)輸入鏈路轉(zhuǎn)移到適當(dāng)輸出鏈路接口的路由器本地動(dòng)作。而路由選擇是指確定分組從源到目的地所定位的路徑的選擇。我們后面會(huì)經(jīng)常提到轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇這兩個(gè)名詞。

那么此處就有一個(gè)問(wèn)題，路由器怎么知道有哪些路徑可以選擇呢？

每臺(tái)路由器都有一個(gè)關(guān)鍵的概念就是轉(zhuǎn)發(fā)表(forwarding table)。路由器通過(guò)檢查數(shù)據(jù)包標(biāo)頭中字段的值，來(lái)定位轉(zhuǎn)發(fā)表中的項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。標(biāo)頭中的值即對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)發(fā)表中的值，這個(gè)值指出了分組將被轉(zhuǎn)發(fā)的路由器輸出鏈路。如下圖所示

上圖中有一個(gè) 1001 分組到達(dá)路由器后，首先會(huì)在轉(zhuǎn)發(fā)表中進(jìn)行索引，然后由路由選擇算法決定分組要走的路徑。每臺(tái)路由器都有兩種功能：轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇。下 面我們就來(lái)聊一聊路由器的工作原理。

路由器工作原理

下面是一個(gè)路由器體系結(jié)構(gòu)圖，路由器主要是由 4 個(gè)組件構(gòu)成的

輸入端口：輸入端口(input port)有很多功能。線路終端功能和數(shù)據(jù)鏈路處理功能，這兩個(gè)功能實(shí)現(xiàn)了路由器的單個(gè)輸入鏈路相關(guān)聯(lián)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。輸入端口查找/轉(zhuǎn)發(fā)功能對(duì)路由器的交換功能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，由路由器的交換結(jié)構(gòu)來(lái)決定輸出端口，具體來(lái)講應(yīng)該是查詢轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)確定的。交換結(jié)構(gòu)：交換結(jié)構(gòu)(Switching fabric)就是將路由器的輸入端口連接到它的輸出端口。這種交換結(jié)構(gòu)相當(dāng)于是路由器內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)。輸出端口：輸出端口(Output ports)通過(guò)交換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)分組，并通過(guò)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能傳輸分組，因此，輸出端口作為輸入端口執(zhí)行反向數(shù)據(jù)鏈接和物理層功能。路由選擇處理器：路由選擇處理器(Routing processor)在路由器內(nèi)執(zhí)行路由協(xié)議，維護(hù)路由表并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理功能。

上面只是這幾個(gè)組件的簡(jiǎn)單介紹，其實(shí)這幾個(gè)組件的組成并不像描述的那樣簡(jiǎn)單，下面我們就來(lái)深入聊一聊這幾個(gè)組件。

輸入端口

上面介紹了輸入端口有很多功能，包括線路終端、數(shù)據(jù)處理、查找轉(zhuǎn)發(fā)，其實(shí)這些功能在輸入端口的內(nèi)部有相應(yīng)的模塊，輸入端口的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如下圖所示

每個(gè)輸入端口中都有一個(gè)路由處理器維護(hù)的路由表的副本，根據(jù)路由處理器進(jìn)行更新。這個(gè)路由表的副本能 夠使每個(gè)輸入端口進(jìn)行切換，而無(wú)需經(jīng)過(guò)路由處理器統(tǒng)一處理。這是一種分散式的切換，這種方式避免了路 由選擇器統(tǒng)一處理造成轉(zhuǎn)發(fā)瓶頸。

在輸入端口處理能力有限的路由器中，輸入端口不會(huì)進(jìn)行交換功能，而是由路由處理器統(tǒng)一處理，然后根據(jù) 路由表查找并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的輸出端口。

一般這種路由器不是單獨(dú)的路由器，而是工作站或者服務(wù)器充當(dāng)?shù)穆酚?，這種路由器內(nèi)部中，路由處理器其實(shí)就是CPU，而輸入端口其實(shí)只是網(wǎng)卡。

輸入端口會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表定位輸出端口，然后再會(huì)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，那么現(xiàn)在就有一個(gè)問(wèn)題，是不是每一個(gè)分組都有自己的一條鏈路呢？如果分組數(shù)量非常大，到達(dá)億級(jí)的話，也會(huì)有億個(gè)輸出端口路徑嗎？

我們的潛意識(shí)中顯然不是的，來(lái)看下面一個(gè)例子。

下面是三個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)了轉(zhuǎn)發(fā)表中的三個(gè)輸出鏈路的示例

可以看到，對(duì)于這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，路由器轉(zhuǎn)發(fā)表中不需要那么多條鏈路，只需要四條就夠，即對(duì)應(yīng)輸出鏈路 0 1 2 3 。也就是說(shuō)，能夠使用 4 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表就可以實(shí)現(xiàn)億級(jí)鏈路。

如何實(shí)現(xiàn)呢？

使用這種風(fēng)格的轉(zhuǎn)發(fā)表，路由器分組的地址前綴(prefix)會(huì)與該表中的表項(xiàng)進(jìn)行匹配。

如果存在一個(gè)匹配項(xiàng)，那么就會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的鏈路上，可能不好理解，我舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧。

比如這時(shí)有一個(gè)分組是 11000011 10010101 00010000 0001100 到達(dá)，因?yàn)檫@個(gè)分組與 11000011 10010101 00010000 相匹配，所以路由器會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到 0 鏈路接口上。如果一個(gè)前綴不匹配上面三個(gè)輸出鏈路中的一種，那么路由器將向鏈路接口 3 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

路由匹配遵循最長(zhǎng)前綴原則(longest prefix matching rule)，最長(zhǎng)匹配原則故名思義就是如果有兩個(gè)匹配項(xiàng)一個(gè)長(zhǎng)一個(gè)短的話，就匹配最長(zhǎng)的。

一旦通過(guò)查找功能確定了分組的輸出端口后，那么該分組就會(huì)進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)。在進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)時(shí)，如果交換結(jié)構(gòu)正在被使用，就會(huì)阻塞新到的分組，等到交換結(jié)構(gòu)調(diào)度新的分組。

交換結(jié)構(gòu)

交換結(jié)構(gòu)是路由器的核心功能，通過(guò)交換功能把分組從輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)至輸出端口，這就是交換結(jié)構(gòu)的主要功能。交換結(jié)構(gòu)有多種形式，主要分為通過(guò)內(nèi)存交換、通過(guò)總線交換、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換，下面我們分開來(lái)探討一下。

經(jīng)過(guò)內(nèi)存交換：最開始的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就是使用內(nèi)存交換的，在輸入端口和輸出端口之間是通過(guò) CPU 進(jìn)行的。輸入端口和輸出端口的功能就好像傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的 I/O 設(shè)備一樣。當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)輸入端口時(shí)，這個(gè)端口會(huì)首先以中斷的方式向路由選擇器發(fā)出信號(hào)，將分組從輸入端口拷貝到內(nèi)存中。然后，路由選擇處理器從分組首部中提取目標(biāo)地址，在轉(zhuǎn)發(fā)表中找出適當(dāng)?shù)妮敵龆丝谶M(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)將分組復(fù)制到輸出端口的緩存中。

這里需要注意一點(diǎn)，如果內(nèi)存帶寬以每秒讀取或者寫入 B 個(gè)數(shù)據(jù)包，那么總的交換機(jī)吞吐量(數(shù)據(jù)包從輸入端口到輸出端口的總速率) 必須小于 B/2。

經(jīng)過(guò)總線交換：在這種處理方式中，總線經(jīng)由輸入端口直接將分組傳送到輸出端口，中間不需要路由選擇器的干預(yù)?？偩€的工作流程如下：輸入端口給分組分配一個(gè)標(biāo)簽，然后分組經(jīng)由總線發(fā)送給所有的輸出端口，每個(gè)輸出端口都會(huì)判斷標(biāo)簽中的端口和自己的是否匹配，如果匹配的話，那么這個(gè)輸出端口就會(huì)把標(biāo)簽拆掉，這個(gè)標(biāo)簽只用于交換機(jī)內(nèi)部跨越總線。如果同時(shí)有多個(gè)分組到達(dá)路由器的話，那么只有一個(gè)分組能夠被處理，其他分組需要再進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)前等待。

經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換：克服單一、共享式總線帶寬限制的一種方法是使用一個(gè)更復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如下圖所示

每條垂直的的總線在交叉點(diǎn)與每條水平的總線交叉，交叉點(diǎn)通過(guò)交換結(jié)構(gòu)控制器能夠在任何時(shí)候開啟和閉合。當(dāng)分組到達(dá)輸入端口 A 時(shí)，如果需要轉(zhuǎn)發(fā)到端口 X，交換機(jī)控制器會(huì)閉合 A 到 X 交叉部分的交叉點(diǎn)，然后端口 A 在總線上進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。這種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)式的交換結(jié)構(gòu)是非阻塞的(non-blocking)的，也就是說(shuō) A -> X 的交叉點(diǎn)閉合不會(huì)影響 B -> Y 的鏈路。如果來(lái)自兩個(gè)不同輸入端口的兩個(gè)分組其目的地為相同的輸出端口的話，這種情況下只能有一個(gè)分組被交換，另外一個(gè)分組必須進(jìn)行等待。

輸出端口處理

如下圖所示，輸出端口處理取出已經(jīng)存放在輸出端口內(nèi)存中的分組并將其發(fā)送到輸出鏈路上。包括選擇和去除排隊(duì)的分組進(jìn)行傳輸，執(zhí)行所需的鏈路層和物理層的功能。

在輸入端口中有等待進(jìn)入交換的排隊(duì)隊(duì)列，而在輸出端口中有等待轉(zhuǎn)發(fā)的排隊(duì)隊(duì)列，排隊(duì)的位置和程度取決于流量負(fù)載、交換結(jié)構(gòu)的相對(duì)頻率和線路速率。

隨著隊(duì)列的不斷增加，會(huì)導(dǎo)致路由器的緩存空間被耗盡，進(jìn)而使沒(méi)有內(nèi)存可以存儲(chǔ)溢出的隊(duì)列，致使分組出現(xiàn)丟包(packet loss)，這就是我們說(shuō)的在網(wǎng)絡(luò)中丟包或者被路由器丟棄。

何時(shí)出現(xiàn)排隊(duì)

下面我們通過(guò)輸入端口的排隊(duì)隊(duì)列和輸出端口的排隊(duì)隊(duì)列來(lái)介紹一下可能出現(xiàn)的排隊(duì)情況。

輸入隊(duì)列

如果交換結(jié)構(gòu)的處理速度沒(méi)有輸入隊(duì)列到達(dá)的速度快，在這種情況下，輸入端口將會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)情況，到達(dá)交換結(jié)構(gòu)前的分組會(huì)加入輸入端口隊(duì)列中，以等待通過(guò)交換結(jié)構(gòu)傳送到輸出端口。

為了描述清楚輸入隊(duì)列，我們假設(shè)以下情況：

使用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的交換方式；假定所有鏈路的速度相同；在鏈路中一個(gè)分組由輸入端口交換到輸出端口所花的時(shí)間相同，從任意一個(gè)輸入端口傳送到給定的輸出端口；分組按照 FCFS 的方式，只要輸出端口不同，就可以進(jìn)行并行傳送。但是如果位于任意兩個(gè)輸入端口中的分組是發(fā)往同一個(gè)目的地的，那么其中的一個(gè)分組將被阻塞，而且必須在輸入隊(duì)列中等待，因?yàn)榻粨Q結(jié)構(gòu)一次只能傳輸一個(gè)到指定端口。

如下圖所示

在 A 隊(duì)列中，輸入隊(duì)列中的兩個(gè)分組會(huì)發(fā)送至同一個(gè)目的地 X，假設(shè)在交換結(jié)構(gòu)正要發(fā)送 A 中的分組，在這個(gè)時(shí)候，C 隊(duì)列中也有一個(gè)分組發(fā)送至 X，在這種情況下，C 中發(fā)送至 X 的分組將會(huì)等待，不僅如此，C 隊(duì)列中發(fā)送至 Y 輸出端口的分組也會(huì)等待，即使 Y 中沒(méi)有出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的情況。這種現(xiàn)象叫做線路前部阻塞(Head-Of-The-Line, HOL)。

輸出隊(duì)列

我們下面討論輸出隊(duì)列中出現(xiàn)等待的情況。假設(shè)交換速率要比輸入/輸出的傳輸速率快很多，而且有 N 個(gè)輸入分組的目的地是轉(zhuǎn)發(fā)至相同的輸出端口。在這種情況下，在向輸出鏈路發(fā)送分組的過(guò)程中，將會(huì)有 N 個(gè)新分組到達(dá)傳輸端口。因?yàn)檩敵龆丝谠谝粋€(gè)單位時(shí)間內(nèi)只能傳輸一個(gè)分組，那么這 N 個(gè)分組將會(huì)等待。然而在等待 N 個(gè)分組被處理的過(guò)程中，同時(shí)又有 N 個(gè)分組到達(dá)，所以 ，分組隊(duì)列能夠在輸出端口形成。這種情況下最終會(huì)因?yàn)榉纸M數(shù)量變的足夠大，從而耗盡輸出端口的可用內(nèi)存。

如果沒(méi)有足夠的內(nèi)存來(lái)緩存分組的話，就必須考慮其他的方式，主要有兩種：一種是丟失分組，采用棄尾(drop-tail)的方法；一種是刪除一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)排隊(duì)的分組，從而來(lái)為新的分組騰出空間。

網(wǎng)絡(luò)層的策略對(duì) TCP 擁塞控制影響很大的就是路由器的分組丟棄策略。在最簡(jiǎn)單的情況下，路由器的隊(duì)列通常都是按照 FCFS 的規(guī)則處理到來(lái)的分組。由于隊(duì)列長(zhǎng)度總是有限的，因此當(dāng)隊(duì)列已經(jīng)滿了的時(shí)候，以后再到達(dá)的所有分組（如果能夠繼續(xù)排隊(duì)，這些分組都將排在隊(duì)列的尾部）將都被丟棄。這就叫做尾部丟棄策略。

通常情況下，在緩沖填滿之前將其丟棄是更好的策略。

如上圖所示，A B C 每個(gè)輸入端口都到達(dá)了一個(gè)分組，而且這個(gè)分組都是發(fā)往 X 的，同一時(shí)間只能處理一個(gè)分組，然后這時(shí)，又有兩個(gè)分組分別由 A B 發(fā)往 X，所以此時(shí)有 4 個(gè)分組在 X 中進(jìn)行等待。

等上一個(gè)分組被轉(zhuǎn)發(fā)完成后，輸出端口就會(huì)選擇在剩下的分組中根據(jù)分組調(diào)度(packet scheduleer)選擇一個(gè)分組來(lái)進(jìn)行傳輸，我們下面就會(huì)聊到分組傳輸。

分組調(diào)度

現(xiàn)在我們來(lái)討論一下分組調(diào)度次序的問(wèn)題，即排隊(duì)的分組如何經(jīng)輸出鏈路傳輸?shù)膯?wèn)題。我們生活中有無(wú)數(shù)排隊(duì)的例子，但是我們生活中一般的排隊(duì)算法都是先來(lái)先服務(wù)(FCFS)，也是先進(jìn)先出(FIFO)。

先進(jìn)先出

先進(jìn)先出就映射為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊(duì)列，只不過(guò)它現(xiàn)在是鏈路調(diào)度規(guī)則的排隊(duì)模型。

FIFO 調(diào)度規(guī)則按照分組到達(dá)輸出鏈路隊(duì)列的相同次序來(lái)選擇分組，先到達(dá)隊(duì)列的分組將先會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)。在這種抽象模型中，如果隊(duì)列已滿，那么棄尾的分組將是隊(duì)列末尾的后面一個(gè)。

優(yōu)先級(jí)排隊(duì)

優(yōu)先級(jí)排隊(duì)是先進(jìn)先出排隊(duì)的改良版本，到達(dá)輸出鏈路的分組被分類放入輸出隊(duì)列中的優(yōu)先權(quán)類，如下圖所示

通常情況下，每個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的分組有自己的優(yōu)先級(jí)類，每個(gè)優(yōu)先級(jí)類有自己的隊(duì)列，分組傳輸會(huì)首先從優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列中進(jìn)行，在同一類優(yōu)先級(jí)的分組之間的選擇通常是以 FIFO 的方式完成。

循環(huán)加權(quán)公平排隊(duì)

在循環(huán)加權(quán)公平規(guī)則(round robin queuing discipline)下，分組像使用優(yōu)先級(jí)那樣被分類。然而，在類之間卻不存在嚴(yán)格的服務(wù)優(yōu)先權(quán)。循環(huán)調(diào)度器在這些類之間循環(huán)輪流提供服務(wù)。如下圖所示

在循環(huán)加權(quán)公平排隊(duì)中，類 1 的分組被傳輸，接著是類 2 的分組，最后是類 3 的分組，這算是一個(gè)循環(huán)，然后接下來(lái)又重新開始，又從 1 -> 2 -> 3 這個(gè)順序進(jìn)行輪詢。每個(gè)隊(duì)列也是一個(gè)先入先出的隊(duì)列。

這是一種所謂的保持工作排隊(duì)(work-conserving queuing)的規(guī)則，就是說(shuō)如果輪詢的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有空隊(duì)列，輸出端口不會(huì)等待分組，而是繼續(xù)輪詢下面的隊(duì)列。

IP 協(xié)議

路由器對(duì)分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)后，就會(huì)把數(shù)據(jù)包傳到網(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)包最終是要傳遞到客戶端或者服務(wù)器上的，那么數(shù)據(jù)包怎么知道要發(fā)往哪里呢？起到關(guān)鍵作用的就是 IP 協(xié)議。

IP 主要分為三個(gè)部分，分別是IP 尋址、路由和分包組包。下面我們主要圍繞這三點(diǎn)進(jìn)行闡述。

IP 地址

既然一個(gè)數(shù)據(jù)包要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，那么肯定需要知道這個(gè)數(shù)據(jù)包到底發(fā)往哪里，也就是說(shuō)需要一個(gè)目標(biāo)地址信息，IP 地址就是連接網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)進(jìn)行通信的目標(biāo)地址，因此，在網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)主機(jī)都需要有自己的 IP 地址。

在 IP 數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送的鏈路中，有可能鏈路非常長(zhǎng)，比如說(shuō)由中國(guó)發(fā)往美國(guó)的一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，由于網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等一些意外因素可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)丟失，這時(shí)我們?cè)谶@條鏈路中會(huì)放入一些中轉(zhuǎn)站，一方面能夠確保數(shù)據(jù)報(bào)是否丟失，另一方面能夠控制數(shù)據(jù)報(bào)的轉(zhuǎn)發(fā)，這個(gè)中轉(zhuǎn)站就是我們前面聊過(guò)的路由器，這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程就是路由控制。

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)復(fù)雜多變，也能夠通過(guò)路由控制到達(dá)目標(biāo)地址。因此，一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)能否到達(dá)目標(biāo)主機(jī)，關(guān)鍵就在于路由器的控制。

這里有一個(gè)名詞，就是跳，因?yàn)樵谝粭l鏈路中可能會(huì)布滿很多路由器，路由器和路由器之間的數(shù)據(jù)報(bào)傳送就是跳，比如你和隔壁老王通信，中間就可能會(huì)經(jīng)過(guò)路由器 A-> 路由器 B -> 路由器 C 。

那么一跳的范圍有多大呢？

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，這里引出一個(gè)新的名詞，MAC 地址是啥？

MAC 地址指的就是計(jì)算機(jī)的物理地址(Physical Address)，它是用來(lái)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備位置的地址。在 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型中，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé) IP 地址的定位，而數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé) MAC 地址的定位。MAC 地址用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)示一個(gè)網(wǎng)卡，一臺(tái)設(shè)備若有一或多個(gè)網(wǎng)卡，則每個(gè)網(wǎng)卡都需要并會(huì)有一個(gè)唯一的 MAC 地址，也就是說(shuō) MAC 地址和網(wǎng)卡是緊密聯(lián)系在一起的。

路由器的每一跳都需要詢問(wèn)當(dāng)前中轉(zhuǎn)的路由器，下一跳應(yīng)該跳到哪里，從而跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)地址。而不是數(shù)據(jù)報(bào)剛開始發(fā)送后，網(wǎng)絡(luò)中所有的通路都會(huì)顯示出來(lái)，這種多次跳轉(zhuǎn)也叫做多跳路由。

IP 地址定義

現(xiàn)如今有兩個(gè)版本的 IP 地址，IPv4 和 IPv6，我們首先探討一下現(xiàn)如今還在廣泛使用的 IPv4 地址，后面再考慮 IPv6 。

IPv4 由 32 位正整數(shù)來(lái)表示，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部會(huì)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制來(lái)處理，但是二進(jìn)制不符合人類閱讀的習(xí)慣，所以我們根據(jù)易讀性的原則把 32 位的 IP 地址以 8 位為一組，分成四組，每組之間以.進(jìn)行分割，再將每組轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。如下圖所示

那么上面這個(gè) 32 位的 IP 地址就會(huì)被轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的 156.197.1.1。

除此之外，從圖中我們還可以得到如下信息

每個(gè)這樣 8 位位一組的數(shù)字，自然是非負(fù)數(shù)，其取值范圍是 [0,255]。

IP 地址的總個(gè)數(shù)有 2^32 次冪個(gè)，這個(gè)數(shù)值算下來(lái)是4294967296，大概能允許 43 億臺(tái)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上真的如此嗎？

實(shí)際上 IP 不會(huì)以主機(jī)的個(gè)數(shù)來(lái)配置的，而是根據(jù)設(shè)備上的網(wǎng)卡(NIC)進(jìn)行配置，每一塊網(wǎng)卡都會(huì)設(shè)置一個(gè)或者多個(gè) IP 地址，而且通常一臺(tái)路由器會(huì)有至少兩塊網(wǎng)卡，所以可以設(shè)置兩個(gè)以上的 IP 地址，所以主機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到 43 億。

IP 地址構(gòu)造和分類

IP 地址由網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)兩部分組成，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)代表著網(wǎng)絡(luò)地址，主機(jī)標(biāo)識(shí)代表著主機(jī)地址。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)在數(shù)據(jù)鏈路的每個(gè)段配置不同的值。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)必須保證相互連接的每個(gè)段的地址都不重復(fù)。而相同段內(nèi)相連的主機(jī)必須有相同的網(wǎng)絡(luò)地址。IP 地址的主機(jī)標(biāo)識(shí)則不允許在同一網(wǎng)段內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)。

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：比如說(shuō)我在石家莊(好像不用比如昂)，我所在的小區(qū)的某一棟樓就相當(dāng)于是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，某一棟樓的第幾戶就相當(dāng)于是我的主機(jī)標(biāo)識(shí)，當(dāng)然如果你有整棟樓的話，那就當(dāng)我沒(méi)說(shuō)。你可以通過(guò)xx省xx市xx區(qū)xx路xx小區(qū)xx棟來(lái)定位我的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，這一棟的第幾戶就相當(dāng)于是我的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)。

IP 地址分為四類，分別是A類、B類、C類、D類、E類，它會(huì)根據(jù) IP 地址中的第 1 位到第 4 位的比特對(duì)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)進(jìn)行分類。

A 類：(1.0.0.0 - 126.0.0.0)（默認(rèn)子網(wǎng)掩碼：255.0.0.0 或 0xFF000000）第一個(gè)字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，后三個(gè)字節(jié)為主機(jī)號(hào)。該類 IP 地址的最前面為 0 ，所以地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)取值于 1~126 之間。一般用于大型網(wǎng)絡(luò)。

B 類：(128.0.0.0 - 191.255.0.0)（默認(rèn)子網(wǎng)掩碼：255.255.0.0 或 0xFFFF0000）前兩個(gè)字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，后兩個(gè)字節(jié)為主機(jī)號(hào)。該類 IP 地址的最前面為 10 ，所以地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)取值于 128~191 之間。一般用于中等規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

C 類：(192.0.0.0 - 223.255.255.0)（子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0 或 0xFFFFFF00）前三個(gè)字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，最后一個(gè)字節(jié)為主機(jī)號(hào)。該類 IP 地址的最前面為 110 ，所以地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)取值于 192~223 之間。一般用于小型網(wǎng)絡(luò)。

D 類：是多播地址。該類 IP 地址的最前面為 1110 ，所以地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)取值于 224~239 之間。一般用于多路廣播用戶。

E 類：是保留地址。該類 IP 地址的最前面為 1111 ，所以地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)取值于 240~255 之間。

為了方便理解，我畫了一張 IP 地址分類圖，如下所示

根據(jù)不同的 IP 范圍，有下面不同的地總空間分類

子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)掩碼(subnet mask)又叫做網(wǎng)絡(luò)掩碼，它是一種用來(lái)指明一個(gè) IP 地址的哪些位標(biāo)識(shí)的是主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)掩碼是一個(gè) 32位 地址，用于屏蔽 IP 地址的一部分以區(qū)別網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)。

一個(gè) IP 地址只要確定了其分類，也就確定了它的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)，由此，各個(gè)分類所表示的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)范圍如下

用1表示 IP 網(wǎng)絡(luò)地址的比特范圍，0表示 IP 主機(jī)地址的范圍。將他們用十進(jìn)制表示，那么這三類的表示如下

保留地址

在IPv4 的幾類地址中，有幾個(gè)保留的地址空間不能在互聯(lián)網(wǎng)上使用。這些地址用于特殊目的，不能在局域網(wǎng)外部路由。

IP 協(xié)議版本

目前，全球 Internet 中共存有兩個(gè)IP版本：IP 版本 4（IPv4）和IP 版本6（IPv6）。 IP 地址由二進(jìn)制值組成，可驅(qū)動(dòng) Internet 上所有數(shù)據(jù)的路由。 IPv4 地址的長(zhǎng)度為 32 位，而 IPv6 地址的長(zhǎng)度為 128 位。

Internet IP 資源由Internet 分配號(hào)碼機(jī)構(gòu)（IANA）分配給區(qū)域 Internet 注冊(cè)表（RIR），例如 APNIC，該機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)根 DNS ，IP 尋址和其他 Internet 協(xié)議資源。

下面我們就一起認(rèn)識(shí)一下 IP 協(xié)議中非常重要的兩個(gè)版本 IPv4 和 IPv6。

IPv4

IPv4 的全稱是Internet Protocol version 4，是 Internet 協(xié)議的第四版。IPv4 是一種無(wú)連接的協(xié)議，這個(gè)協(xié)議會(huì)盡最大努力交付數(shù)據(jù)包，也就是說(shuō)它不能保證任何數(shù)據(jù)包能到達(dá)目的地，也不能保證所有的數(shù)據(jù)包都會(huì)按照正確的順序到達(dá)目標(biāo)主機(jī)，這些都是由上層比如傳輸控制協(xié)議控制的。也就是說(shuō)，單從 IP 看來(lái)，這是一個(gè)不可靠的協(xié)議。

前面我們講過(guò)網(wǎng)絡(luò)層分組被稱為數(shù)據(jù)報(bào)，所以我們接下來(lái)的敘述也會(huì)圍繞著數(shù)據(jù)報(bào)展開。

IPv4 的數(shù)據(jù)報(bào)格式如下

IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)中的關(guān)鍵字及其解釋

版本字段(Version)占用 4 bit，通信雙方使用的版本必須一致，對(duì)于 IPv4 版本來(lái)說(shuō)，字段值是 4。首部長(zhǎng)度(Internet Header Length)占用 4 bit，首部長(zhǎng)度說(shuō)明首部有多少 32 位(4 字節(jié))。由于 IPv4 首部可能包含不確定的選項(xiàng)，因此這個(gè)字段被用來(lái)確定數(shù)據(jù)的偏移量。大多數(shù) IP 不包含這個(gè)選項(xiàng)，所以一般首部長(zhǎng)度設(shè)置為 5， 數(shù)據(jù)報(bào)為 20 字節(jié) 。服務(wù)類型(Differential Services Codepoint，DSCP)占用 6 bit，以便使用不同的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)，比如一些低時(shí)延、高吞吐量和可靠性的數(shù)據(jù)報(bào)。服務(wù)類型如下表所示

擁塞通告(Explicit Congestion Notification，ECN)占用 2 bit，它允許在不丟棄報(bào)文的同時(shí)通知對(duì)方網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。ECN 是一種可選的功能，僅當(dāng)兩端都支持并希望使用，且底層網(wǎng)絡(luò)支持時(shí)才被使用。 最開始 DSCP 和 ECN 統(tǒng)稱為 TOS，也就是區(qū)分服務(wù)，但是后來(lái)被細(xì)化為了 DSCP 和 ECN。

數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度(Total Length)占用 16 bit，這 16 位是包括在數(shù)據(jù)在內(nèi)的總長(zhǎng)度，理論上數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度為 2 的 16 次冪 - 1，最大長(zhǎng)度是 65535 字節(jié)，但是實(shí)際上數(shù)據(jù)報(bào)很少有超過(guò) 1500 字節(jié)的。IP 規(guī)定所有主機(jī)都必須支持最小 576 字節(jié)的報(bào)文，但大多數(shù)現(xiàn)代主機(jī)支持更大的報(bào)文。當(dāng)下層的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的最大傳輸單元（MTU）字段的值小于 IP 報(bào)文長(zhǎng)度時(shí)，報(bào)文就必須被分片。

標(biāo)識(shí)符(Identification)占用 16 bit，這個(gè)字段用來(lái)標(biāo)識(shí)所有的分片，因?yàn)榉制灰欢〞?huì)按序到達(dá)，所以到達(dá)目標(biāo)主機(jī)的所有分片會(huì)進(jìn)行重組，每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)數(shù)器加1，并賦值給此字段。

標(biāo)志(Flags)占用 3 bit，標(biāo)志用于控制和識(shí)別分片，這 3 位分別是

0 位：保留，必須為0；1 位：禁止分片（Don’t Fragment，DF），當(dāng) DF = 0 時(shí)才允許分片；2 位：更多分片（More Fragment，MF），MF = 1 代表后面還有分片，MF = 0 代表已經(jīng)是最后一個(gè)分片。

如果 DF 標(biāo)志被設(shè)置為 1 ，但是路由要求必須進(jìn)行分片，那么這條數(shù)據(jù)報(bào)回丟棄

分片偏移(Fragment Offset)占用 13 位，它指明了每個(gè)分片相對(duì)于原始報(bào)文開頭的偏移量，以 8 字節(jié)作單位。

存活時(shí)間(Time To Live，TTL)占用 8 位，存活時(shí)間避免報(bào)文在互聯(lián)網(wǎng)中迷失，比如陷入路由環(huán)路。存活時(shí)間以秒為單位，但小于一秒的時(shí)間均向上取整到一秒。在現(xiàn)實(shí)中，這實(shí)際上成了一個(gè)跳數(shù)計(jì)數(shù)器：報(bào)文經(jīng)過(guò)的每個(gè)路由器都將此字段減 1，當(dāng)此字段等于 0 時(shí)，報(bào)文不再向下一跳傳送并被丟棄，這個(gè)字段最大值是 255。

協(xié)議(Protocol)占用 8 位，這個(gè)字段定義了報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)使用的協(xié)議。協(xié)議內(nèi)容可以在 https://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml 官網(wǎng)上獲取。

首部校驗(yàn)和(Header Checksum)占用 16 位，首部校驗(yàn)和會(huì)對(duì)字段進(jìn)行糾錯(cuò)檢查，在每一跳中，路由器都要重新計(jì)算出的首部檢驗(yàn)和并與此字段進(jìn)行比對(duì)，如果不一致，此報(bào)文將會(huì)被丟棄。

源地址(Source address)占用 32 位，它是 IPv4 地址的構(gòu)成條件，源地址指的是數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送方

目的地址(Destination address)占用 32 位，它是 IPv4 地址的構(gòu)成條件，目標(biāo)地址指的是數(shù)據(jù)報(bào)的接收方

選項(xiàng)(Options)是附加字段，選項(xiàng)字段占用 1 - 40 個(gè)字節(jié)不等，一般會(huì)跟在目的地址之后。如果首部長(zhǎng)度 > 5，就應(yīng)該考慮選項(xiàng)字段。

數(shù)據(jù)不是首部的一部分，因此并不被包含在首部檢驗(yàn)和中。

在 IP 發(fā)送的過(guò)程中，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的大小是不同的，每個(gè)鏈路層協(xié)議能承載的網(wǎng)絡(luò)層分組也不一樣，有的協(xié)議能夠承載大數(shù)據(jù)報(bào)，有的卻只能承載很小的數(shù)據(jù)報(bào)，不同的鏈路層能夠承載的數(shù)據(jù)報(bào)大小如下。

IPv4 分片

一個(gè)鏈路層幀能承載的最大數(shù)據(jù)量叫做最大傳輸單元(Maximum Transmission Unit, MTU)，每個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝在鏈路層幀中從一臺(tái)路由器傳到下一臺(tái)路由器。因?yàn)槊總€(gè)鏈路層所支持的最大 MTU 不一樣，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)的大小超過(guò) MTU 后，會(huì)在鏈路層進(jìn)行分片，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)會(huì)在鏈路層單獨(dú)封裝，每個(gè)較小的片都被稱為片(fragement)。

每個(gè)片在到達(dá)目的地后會(huì)進(jìn)行重組，準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)是在運(yùn)輸層之前會(huì)進(jìn)行重組，TCP 和 UDP 都會(huì)希望發(fā)送完整的、未分片的報(bào)文，出于性能的原因，分片重組不會(huì)在路由器中進(jìn)行，而是會(huì)在目標(biāo)主機(jī)中進(jìn)行重組。

當(dāng)目標(biāo)主機(jī)收到從發(fā)送端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)后，它需要確定這些數(shù)據(jù)報(bào)中的分片是否是由源數(shù)據(jù)報(bào)分片傳遞過(guò)來(lái)的，如果是的話，還需要確定何時(shí)收到了分片中的最后一片，并且這些片會(huì)如何拼接一起成為數(shù)據(jù)報(bào)。

針對(duì)這些潛在的問(wèn)題，IPv4 設(shè)計(jì)者將標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移放在 IP 數(shù)據(jù)報(bào)首部中。當(dāng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，發(fā)送主機(jī)會(huì)為該數(shù)據(jù)報(bào)設(shè)置源和目的地址的同時(shí)貼上標(biāo)識(shí)號(hào)。發(fā)送主機(jī)通常將它發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí) + 1。當(dāng)某路由器需要對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)分片時(shí)，形成的每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)具有初始數(shù)據(jù)報(bào)的源地址、目標(biāo)地址和標(biāo)識(shí)號(hào)。當(dāng)目的地從同一發(fā)送主機(jī)收到一系列數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它能夠檢查數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)號(hào)以確定哪些數(shù)據(jù)是由源數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送過(guò)來(lái)的。由于 IP 是一種不可靠的服務(wù)，分片可能會(huì)在網(wǎng)路中丟失，鑒于這種情況，通常會(huì)把分片的最后一個(gè)比特設(shè)置為 0 ，其他分片設(shè)置為 1，同時(shí)使用偏移字段指定分片應(yīng)該在數(shù)據(jù)報(bào)的哪個(gè)位置。

IPv4 尋址

IPv4 支持三種不同類型的尋址模式，分別是

單播尋址模式：在這種模式下，數(shù)據(jù)只發(fā)送到一個(gè)目的地的主機(jī)。

廣播尋址模式：在此模式下，數(shù)據(jù)包將被尋址到網(wǎng)段中的所有主機(jī)。這里客戶端發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，由所有服務(wù)器接收：

組播尋址模式：此模式是前兩種模式的混合，即發(fā)送的數(shù)據(jù)包既不指向單個(gè)主機(jī)也不指定段上的所有主機(jī)

IPv6

隨著端系統(tǒng)接入的越來(lái)越多，IPv4 已經(jīng)無(wú)法滿足分配了，所以，IPv6 應(yīng)運(yùn)而生，IPv6 就是為了解決 IPv4 的地址耗盡問(wèn)題而被標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)際協(xié)議。IPv4 的地址長(zhǎng)度為 4 個(gè) 8 字節(jié)，即 32 比特， 而 IPv6 的地址長(zhǎng)度是原來(lái)的四倍，也就是 128 比特，一般寫成 8 個(gè) 16 位字節(jié)。

從 IPv4 切換到 IPv6 及其耗時(shí)，需要將網(wǎng)絡(luò)中所有的主機(jī)和路由器的 IP 地址進(jìn)行設(shè)置，在互聯(lián)網(wǎng)不斷普及的今天，替換所有的 IP 是一個(gè)工作量及其龐大的任務(wù)。我們后面會(huì)說(shuō)。

我們先來(lái)看一下 IPv6 的地址是怎樣的

版本與 IPv4 一樣，版本號(hào)由 4 bit 構(gòu)成，IPv6 版本號(hào)的值為 6。流量類型(Traffic Class)占用 8 bit，它就相當(dāng)于 IPv4 中的服務(wù)類型(Type Of Service)。流標(biāo)簽(Flow Label)占用 20 bit，這 20 比特用于標(biāo)識(shí)一條數(shù)據(jù)報(bào)的流，能夠?qū)σ粭l流中的某些數(shù)據(jù)報(bào)給出優(yōu)先權(quán)，或者它能夠用來(lái)對(duì)來(lái)自某些應(yīng)用的數(shù)據(jù)報(bào)給出更高的優(yōu)先權(quán)，只有流標(biāo)簽、源地址和目標(biāo)地址一致時(shí)，才會(huì)被認(rèn)為是一個(gè)流。有效載荷長(zhǎng)度(Payload Length)占用 16 bit，這 16 比特值作為一個(gè)無(wú)符號(hào)整數(shù)，它給出了在 IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)中跟在鼎昌 40 字節(jié)數(shù)據(jù)報(bào)首部后面的字節(jié)數(shù)量。下一個(gè)首部(Next Header)占用 8 bit，它用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)報(bào)中的內(nèi)容需要交付給哪個(gè)協(xié)議，是 TCP 協(xié)議還是 UDP 協(xié)議。跳限制(Hop Limit)占用 8 bit，這個(gè)字段與 IPv4 的 TTL 意思相同。數(shù)據(jù)每經(jīng)過(guò)一次路由就會(huì)減 1，減到 0 則會(huì)丟棄數(shù)據(jù)。源地址(Source Address)占用 128 bit (8 個(gè) 16 位 )，表示發(fā)送端的 IP 地址。目標(biāo)地址(Destination Address)占用 128 bit (8 個(gè) 16 位 )，表示接收端 IP 地址。

可以看到，相較于 IPv4 ，IPv6 取消了下面幾個(gè)字段

標(biāo)識(shí)符、標(biāo)志和比特偏移：IPv6 不允許在中間路由器上進(jìn)行分片和重新組裝。這種操作只能在端系統(tǒng)上進(jìn)行，IPv6 將這個(gè)功能放在端系統(tǒng)中，加快了網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)速度。首部校驗(yàn)和：因?yàn)樵谶\(yùn)輸層和數(shù)據(jù)鏈路執(zhí)行了報(bào)文段完整性校驗(yàn)工作，IP 設(shè)計(jì)者大概覺(jué)得在網(wǎng)絡(luò)層中有首部校驗(yàn)和比較多余，所以去掉了。IP 更多專注的是快速處理分組數(shù)據(jù)。選項(xiàng)字段：選項(xiàng)字段不再是標(biāo)準(zhǔn) IP 首部的一部分了，但是它并沒(méi)有消失，而是可能出現(xiàn)在 IPv6 的擴(kuò)展首部，也就是下一個(gè)首部中。

IPv6 擴(kuò)展首部

IPv6 首部長(zhǎng)度固定，無(wú)法將選項(xiàng)字段加入其中，取而代之的是 IPv6 使用了擴(kuò)展首部

擴(kuò)展首部通常介于 IPv6 首部與 TCP/UDP 首部之間，在 IPv4 中可選長(zhǎng)度固定為 40 字節(jié)，在 IPv6 中沒(méi)有這樣的限制。IPv6 的擴(kuò)展首部可以是任意長(zhǎng)度。擴(kuò)展首部中還可以包含擴(kuò)展首部協(xié)議和下一個(gè)擴(kuò)展字段。

IPv6 首部中沒(méi)有標(biāo)識(shí)和標(biāo)志字段，對(duì) IP 進(jìn)行分片時(shí)，需要使用到擴(kuò)展首部。

具體的擴(kuò)展首部表如下所示

下面我們來(lái)看一下 IPv6 都有哪些特點(diǎn)

IPv6 特點(diǎn)

IPv6 的特點(diǎn)在 IPv4 中得以實(shí)現(xiàn)，但是即便實(shí)現(xiàn)了 IPv4 的操作系統(tǒng)，也未必實(shí)現(xiàn)了 IPv4 的所有功能。而 IPv6 卻將這些功能大眾化了，也就表明這些功能在 IPv6 已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，這些功能主要有

地址空間變得更大：這是 IPv6 最主要的一個(gè)特點(diǎn)，即支持更大的地址空間。

精簡(jiǎn)報(bào)文結(jié)構(gòu): IPv6 要比 IPv4 精簡(jiǎn)很多，IPv4 的報(bào)文長(zhǎng)度不固定，而且有一個(gè)不斷變化的選項(xiàng)字段；IPv6 報(bào)文段固定，并且將選項(xiàng)字段，分片的字段移到了 IPv6 擴(kuò)展頭中，這就極大的精簡(jiǎn)了 IPv6 的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)配置：IPv6 支持其主機(jī)設(shè)備的狀態(tài)和無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置模式。這樣，沒(méi)有DHCP 服務(wù)器不會(huì)停止跨段通信。

層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)： IPv6 不再像 IPv4 一樣按照 A、B、C等分類來(lái)劃分地址，而是通過(guò) IANA -> RIR -> ISP 這樣的順序來(lái)分配的。IANA 是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)號(hào)碼分配機(jī)構(gòu)，RIR 是區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)，ISP 是一些運(yùn)營(yíng)商（例如電信、移動(dòng)、聯(lián)通）。

IPSec：IPv6 的擴(kuò)展報(bào)頭中有一個(gè)認(rèn)證報(bào)頭、封裝安全凈載報(bào)頭，這兩個(gè)報(bào)頭是 IPsec 定義的。通過(guò)這兩個(gè)報(bào)頭網(wǎng)絡(luò)層自己就可以實(shí)現(xiàn)端到端的安全，而無(wú)需像 IPv4 協(xié)議一樣需要其他協(xié)議的幫助。

支持任播：IPv6 引入了一種新的尋址方式，稱為任播尋址。

IPv6 地址

我們知道，IPv6 地址長(zhǎng)度為 128 位，他所能表示的范圍是 2 ^ 128 次冪，這個(gè)數(shù)字非常龐大，幾乎涵蓋了你能想到的所有主機(jī)和路由器，那么 IPv6 該如何表示呢？

一般我們將 128 比特的 IP 地址以每 16 比特為一組，并用:號(hào)進(jìn)行分隔，如果出現(xiàn)連續(xù)的 0 時(shí)還可以將 0 省略，并用::兩個(gè)冒號(hào)隔開，記住，一個(gè) IP 地址只允許出現(xiàn)一次兩個(gè)連續(xù)的冒號(hào)。

下面是一些 IPv6 地址的示例

二進(jìn)制數(shù)表示

用十六進(jìn)制數(shù)表示

出現(xiàn)兩個(gè)冒號(hào)的情況

如上圖所示，A120 和 4CD 中間的 0 被 :: 所取代了。

如何從 IPv4 遷移到 IPv6

我們上面聊了聊 IPv4 和 IPv6 的報(bào)文格式、報(bào)文含義是什么、以及 IPv4 和 IPv6 的特征分別是什么，看完上面的內(nèi)容，你已經(jīng)知道了 IPv4 現(xiàn)在馬上就變的不夠用了，而且隨著 IPv6 的不斷發(fā)展和引用，雖然新型的 IPv6 可以做到向后兼容，即 IPv6 可以收發(fā) IPv4 的數(shù)據(jù)報(bào)，但是已經(jīng)部署的具有 IPv4 能力的系統(tǒng)卻不能夠處理 IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)。所以 IPv4 噬需遷移到 IPv6，遷移并不意味著將 IPv4 替換為 IPv6。這僅意味著同時(shí)啟用 IPv6 和 IPv4。

那么現(xiàn)在就有一個(gè)問(wèn)題了，IPv4 如何遷移到 IPv6 呢？這就是我們接下來(lái)討論的重點(diǎn)。

標(biāo)志

最簡(jiǎn)單的方式就是設(shè)置一個(gè)標(biāo)志日，指定某個(gè)時(shí)間點(diǎn)和日期，此時(shí)全球的因特網(wǎng)機(jī)器都會(huì)在這時(shí)關(guān)機(jī)從 IPv4 遷移到 IPv6 。上一次重大的技術(shù)遷移是在 35 年前，但是很顯然，不用我過(guò)多解釋，這種情況肯定是不行的。影響不可估量不說(shuō)，如何保證全球人類都能知道如何設(shè)置自己的 IPv6 地址？一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)十億臺(tái)機(jī)器的標(biāo)志日現(xiàn)在是想都不敢想的。

隧道技術(shù)

現(xiàn)在已經(jīng)在實(shí)踐中使用的從 IPv4 遷移到 IPv6 的方法是隧道技術(shù)(tunneling)。

什么是隧道技術(shù)呢？

隧道技術(shù)是一種使用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸數(shù)據(jù)的方式，使用隧道傳遞的數(shù)據(jù)可以是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包。使用隧道技術(shù)所遵從的協(xié)議叫做隧道協(xié)議(tunneling protocol)。隧道協(xié)議會(huì)將這些協(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包封裝在新的包頭中發(fā)送。新的包頭提供了路由信息，從而使封裝的負(fù)載數(shù)據(jù)能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。

使用隧道技術(shù)一般都會(huì)建一個(gè)隧道，建隧道的依據(jù)如下：

比如兩個(gè) IPv6 節(jié)點(diǎn)(下方 B、E)要使用 IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行交互，但是它們是經(jīng)由兩個(gè) IPv4 的路由器進(jìn)行互聯(lián)的。那么我們就需要將 IPv6 節(jié)點(diǎn)和 IPv4 路由器組成一個(gè)隧道，如下圖所示

借助于隧道，在隧道發(fā)送端的 IPv6 節(jié)點(diǎn)可將整個(gè) IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)放到一個(gè) IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)(有效載荷)字段中，于是，IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)的地址被設(shè)置為指向隧道接收端的 IPv6 的節(jié)點(diǎn)，比如上面的 E 節(jié)點(diǎn)。然后再發(fā)送給隧道中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn) C，如下所示

隧道中間的 IPv4 提供路由，路由器不知道這個(gè) IPv4 內(nèi)部包含一個(gè)指向 IPv6 的地址。隧道接收端的 IPv6 節(jié)點(diǎn)收到 IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)，會(huì)確定這個(gè) IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)含有一個(gè) IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)得知。然后取出 IPv6 數(shù)據(jù)報(bào)，再為 IPv6 提供路由，就好像兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直接相連傳輸數(shù)據(jù)報(bào)一樣。