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IP 协议
IP协议：它其实是TCP/IP协议中针对网络层的协议（注意，IP协议是TCP/IP协议族中的核心协议，因为上层数据将以IP数据报的格式进行传输）。
基本概念
既然IP协议是网络层协议，那么我们先来了解一下网络层主要解决什么问题：
1.网络层：主要任务是实现网络互连，进而实现网络间数据包的传输。
路由器功能：在上图中，路由器的功能是连接不同的网络，在网络层解析要传输的数据报，为其找到一条路径（找到到达目标主机的路）并转发数据。
2. 在网络层实现这些任务需要解决哪些问题？（下面我们会一一解答这些问题）
通过以上网络层的主要任务和解决的问题我们可以看出，对于IP协议来说，它的主要任务是负责地址管理和路由选择。
注：我们在学习的时候经常会了解到IP协议提供的是不可靠的、无连接的数据包传输服务。
实际上是这样的：
协议头格式
如下图所示：
如图所示，我们可以看到一个IP协议数据包头的格式（水平表示为32bit，从左到右依次为0~31，这样排列的原因是TCP/IP头中所有的二进制整数都是按照大端字节序（先0~7bit，然后8~15bit以此类推）传输的，因此也叫网络字节序（big ））。
以上各部分内容如下：
网络分段
我们知道ipv4地址是一种数据类型，它所对应的IP地址数量大概是42.9亿个，所以实际上IP地址是不够用的，我们如何设置IP地址，使得每个主机的IP地址不重复呢？
答：为了解决这个问题，通过划分网络来进行地址管理。一个网络中可以分配给主机的IP地址都会有相同的网络号。此时只要保证各个网络的网络号不同，就可以进行网络地址的简单管理。
1、IP地址的组成：网络号+主机号。（也是网络中一台主机的唯一标识）
在：
①：通过合理设置主机号和网络号，可以保证互联网络中各主机的IP地址不同。
②：IP地址占用4个字节，32位，以点分十进制表示。
2.DHCP技术
①：手动管理IP地址是一个非常麻烦的工作，因此引入了DHCP技术。
②：DHCP技术是一种动态分配IP地址的技术。它可以自动为网络中新增加的主机分配IP地址，避免手动管理IP地址的不便。（一般路由器都具有DHCP功能，因此路由器也可以称为DHCP服务器）
3. 早期网络分割
在早期的网络细分中，所有的IP地址被分成了五类，如下图所示：
在：
（由于只能为网络上的主机分配 A 类、B 类和 C 类 IP 地址，因此我们不会详细介绍 D 类和 E 类。）
4、由于现代网络发展迅速，大多数单位基本上都申请B类网络，因此B类网络地址很快就被分配完毕，而A类地址则被浪费（因为A类中每个网络号对应的主机号数量过多，而对于一个网络来说，一般不会有那么多的主机号）。因此，为了解决这种情况，就引入了一种新的划分方案，即CIDR方案。
①：CIDR方案提出引入一个新的字段——子网掩码。
②：子网掩码：它是一种数据（即和IP地址一样，占用4个字节，以点分十进制表示），但数据是由连续的二进制1组成的。
特点如下：
这样，无论是A类IP地址、B类IP地址还是C类IP地址，都可以根据IP地址来划分子网，大大减少了IP地址的浪费。
下面的例子：
①例1：IP地址加上子网掩码就可以得到网络号，而该子网中主机号占一个字节，因此子网范围如上图。
②例2：IP地址与子网掩码相加得到网络号，但在这个子网中，它的最后一个子节点的二进制数为“1111 0000”（之所以只看最后一位，是因为子网掩码前三个子节点的十进制数为255，用二进制表示为“1111 1111”，这个数加上任何数都等于它所加上的数），而IP地址最后一个子节点68的二进制数为“0100 0100”，所以相加之后为“0100 0000”，对应十进制数为64，由此可知它的网络号。那么，由于子网掩码最后一位为0的位置有4个，最大为15个，所以子网地址的范围如上图所示。
从上面我们可以了解到，对于子网，IP地址的主机数中固定几位作为子网数（所以对于网络号所占子网数对应的子网掩码所占的位置，在这个范围内子网掩码所占的位都是1），然后在子网内进行主机数的划分。这样就避免了像A类网络那样，每个网络中的主机数非常庞大。
例如某公司申请了一个C类网络192.168.2.0/24（其中/24代表子网掩码，从高位到低位，24位为1，8位为0），此时需要将网络均匀划分为4个子网。
划分方法是：由于是C类网络，主机号占8位，取最高两位来划分，因为2位最多可以表示4个数（00/01/11/10），而此时这个子网的掩码为“255.255.255.192”（因为最后一个字节的最高两位已经被占用），所以每个子网所包含的主机号个数为剩下6位所能表示的最大个数。
特殊 IP 地址
1.针对可分配的A、B、C类。
IP地址由网络号和主机号组成，但在特定范围内，并不是每个主机号都可以分配给网络上的主机。有两种特殊的IP地址。
2.特殊IP地址：
私有IP地址和公有IP地址
1、某单位组建了一个局域网，但是IP地址仅限于局域网之间通信，并不与互联网相连。因此在这个局域网中，这些IP地址都是私网IP地址。理论上来说，任意IP地址都可以使用，但是不能与公网IP地址重复。因此，文件规定：
这个范围内包含的都是私有IP，其余的都是全局IP（也叫公有IP）。
2.如下图所示：
IP 地址数量限制
上面我们知道，IP地址是一个4字节32位正整数（也就是类型），它所能表示的IP地址最大不超过43亿个。TCP/IP规定每台主机都必须有一个IP地址。（实际上由于一些特殊IP地址的存在，即使这些能表示的IP地址也不能用在实际的主机IP地址中。而且现在的路由结构已经没有层次结构，而是扁平结构，每个网络都需要一个路由表项。所以随着网络的发展，一个有多个网络的网站必须分配多个C类地址）
1、CIDR（ Inter- ，其实就是提出了子网掩码）在一定程度上缓解了IP地址不足的问题，但也仅仅止步于提高原有IP地址数量的利用率，而原有的数量并没有改变，所以还是不够用。
2.针对以上问题给出了三种解决方案：
3.NAT技术：
该技术很大程度上解决了IP地址不足的问题，主要是通过IP地址的重用来实现的。（这里的重用并不违反网络中IP地址不能重复的规则）
1、上面我们知道，对于一个局域网来说，它有一个私有IP地址和一个公有IP地址。（其实私有IP地址是用于局域网内部通信的，而公有IP地址是用于不同局域网之间的通信的）
2、对于私有IP地址来说，它们只用于局域网内不同主机之间的通信。不同局域网内的主机通信时，它们的通信其实并不是两台主机之间，而是它们的公有IP地址之间。因此，对于不同的私有网络，它们的内部IP地址是可以重复的。（全局IP必须是唯一的，而私有IP则不必如此，不同局域网内同一个私有IP完全没有影响，所以这大大减少了IP地址的使用。通过重复使用IP地址，可以缓解IP地址不足带来的弊端。）
3、IP转换技术：将私网IP转换为公网IP，进行数据通讯。（不同网络的主机间通讯）
如下图所示：
假设客户端A想要跟服务器进行通信，此时客户端A发送数据，被自己网络的路由器接收，路由器收到后发现目标IP地址是外网的，于是就把自己的公网IP地址替换成源IP地址然后发送给服务器，大致流程如下：
其中：对于每一台私网主机，它们在与外网主机通讯时，其路由器在转发时都会分配一个不同于其他主机的端口号，以防止同一个私网内的不同主机请求同一个外网主机时，造成数据混乱，如下图所示：
其中：客户端A和客户端B同时向服务器发出请求，转换的时候NAT路由表中的转换表会将不同的主机转换成不同的端口号。
4.NAT技术缺陷
由于NAT技术很大程度上依赖于这个转换表，因此：
5. NAT 和代理服务器
① 代理服务器：其实就是一个中间人，客户端向代理服务器发送请求，代理服务器把请求转发给客户端真正要请求的服务器，服务器响应请求，把响应数据发送给代理服务器，代理服务器再把响应转发给客户端。（通常用于绕过防火墙（广域网中的代理，比如查看外网的一些资源）和负载均衡（局域网中的代理））
其实代理服务器的做法和NAT技术类似，一般的路由器都具备NAT设备的功能，当局域网下的主机请求外网的服务器时，会转至路由器中的NAT设备下。
②：这两者这么相似，那么有什么区别呢？
③：正向代理与反向代理
路由
在大型网络中，两台主机之间的通信必须经过许多不同的路由器转发，才能到达另一端进行通信。（因为网络是复杂的星型网络结构）
所以实际上一台主机从源主机向对端主机发送的数据，是经过很多台路由器进行转发的，如下图所示：
如图所示，主机A与主机B通信时，数据会经过A、B、C、D四个路由器的转发，最终到达主机B。（这个过程也叫“跳跃”）
这些路由器怎么知道主机B在哪儿，然后安排路由呢？
1.路由表
①：每个节点设备都配有一张路由表（在每个网段、每个节点中都有），路由表里包含了该路由加入到IP路由表的目的地址、网络掩码、优先级、路由代价、输出接口和下一跳IP地址。（这些信息的存在使得IP数据包能够在网络中找到准确的目的地址）
②：IP数据包到达路由表时要经过哪些操作？
当路由器收到一个IP数据包时，它会取出目标的IP地址，然后在自己的路由表中查找，找到合适的“下一跳”，然后转发给“下一跳”，然后继续类似的操作。
具体操作如下：
如下图所示：
如上图所示，这是不同网络内的主机之间的通信情况。
2.示例
如图所示，是一张路由表：
在：
例如：如果发送的数据包的目的地址是192.168.56.3
操作如下：
如果在上面的例子中，执行到最后一行之后，还是没有找到合适的IP地址，那么证明目的主机已经不在网络中了，所以这时候就需要寻找路由器（网络的默认网关）进行转发。