本文将简单介绍一下IP地址，以及相关分配规则，NAT技术的简单了解

一，IP协议的定位

IP协议是在TCP/IP五层模型中网络层所运用的协议，如果把TCP比作一个一个快递公司的“确认电话”，那么IP协议就是“负责运输快递到目的地址的快递员”，他不像TCP传输的可靠性，IP协议只管传输，不管送达。

二，IP数据包结构

以下是IP数据包的结构简图：

• 版本（Version, 4位）： IP 协议的版本。对于 IPv4，该值始终为 4。

• 首部长度（IHL, 4位）： 表示 IP 首部长多少个 32 位字（即 4 字节）。因为固定部分是 20 字节，所以这个值通常是 5 ($5\times 4=20$)。最大值为 15，即首部最长 60 字节。

• 服务类型（TOS, 8位）： 现在的标准叫 区分服务（DiffServ）。用来标记数据包的优先级，比如是追求低延迟、高吞吐量还是高可靠性。

• 总长度（Total Length, 16位）： 指的是 首部 + 数据 的总字节数。最大值为 $2^{16}-1=65535$ 字节。

• 标识（Identification, 16位）： 计数器，每发送一个报文就加 1。分片时，同一原始报文的所有分片具有相同的标识，以便在目的地重组。

• 标志（Flags, 3位）： * 第一位保留。

  • 中间位 DF (Don’t Fragment)：为 1 表示不允许分片。

  • 末位 MF (More Fragments)：为 1 表示后面还有分片，为 0 表示这是最后一个分片。

• 片偏移（Fragment Offset, 13位）： 较长的分组分片后，某片在原分组中的相对位置。单位是 8 字节。

• 生存时间（TTL, 8位）： 数据报在网络中可通过的路由器的最大跳数。每经过一个路由器减 1，减到 0 就会被丢弃，防止报文在网络中无限循环。

• 协议（Protocol, 8位）： 指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便交给上层（运输层）处理。

  • 6 代表 TCP

  • 17 代表 UDP

  • 1 代表 ICMP

• 首部校验和（Header Checksum, 16位）： 只校验数据报的首部，不检查数据部分。

• 源 IP 地址（Source Address, 32位）： 发送方的 IP。

• 目的 IP 地址（Destination Address, 32位）： 接收方的 IP。

• 选项（Options）： 可变长度，用于排错、测量或安全措施，但因为会增加路由器处理负担，现在很少使用。

• 数据（Data）： 上层（如 TCP 或 UDP 报文段）的具体内容。

三，地址分配

IP地址反映了一台主机在网络上所处的位置，当下的通信主机这么多，是如何进行分配，地址又分的过来吗？

IP地址可以分为以下几大类：

前三类地址总体可以划分为网络号+主机号的的结构，在IPv4的结构中

• 网络号：定位主机所处网段，理解为小区地址
• 主机号：定位同一个网段中的不同主机，可理解为门牌号
  对于同一个网段中的不同主机，网络号一致，但是主机号不相同
  当下的大部分主机的IP地址都采用C类地址，前24位网络号，后8位主机号。
  如何查看我们使用的主机IP呢？以我的windows电脑为例的话，在终端中输入
  ipconfig即可查看
  
  WLAN是我们上网使用的网卡
• 本地链接 IPv6 地址：是自动生成的链路本地 IPv6 地址，仅在当前局域网内有效，用于局域网内设备间通信
• IPv4 地址：这是一个内网 IP（私有 IP），属于192.168. 网段，主机号为38
• 子网掩码：32位子网掩码，前24位是网络号，后8位是主机号
• 默认网关 :无线路由器的内网 IP 地址,当我们使用设备访问互联网时，数据包会先访问这个网关，再由路由器转发到公网

四 如何分配

IP地址是一个32位4字节的整数，这个数值可以表示大约42亿左右的数字，但这远不够分配给互联网上的所有主机，为了解决这一问题，可以采用以下几种方案：

动态分配地址（DHCP）

动态分配地址是只给上网的设备分配IP地址。如果每一个设备都固定分配，使用一个IP地址那IP地址的申请，配置就会很麻烦，同时还会增加IP地址的分配数量，但是不一定同一时间网上存在如此规模的正在访问互联网的设备。
IP地址在使用时，设备会向服务器进行申请一个有时效的IP地址，于是你的设备就在这段时间内暂时拥有了该IP，即将失效时即可再次续约

工作原理

• Discover：你的设备大喊“谁是 DHCP 服务器？我想领个 IP”。

• Offer：路由器（DHCP 服务器）回话“我这有个 192.168.1.10 给你用”。

• Request：设备确认“好的，我就要这个地址了”。

• ACK：路由器点头“成交，租给你 24 小时，过期记得续约”。

NAT技术(NAT)

NAT技术也是为了减少IP地址数量不够分配而产生的一种技术手段
首先NAT把IP地址划分为公网IP和私网IP（局域网）。
公网IP地址可以类比于小区地址（全球内唯一），私网IP就好比一个小区内的具体门牌号（仅在小区内唯一）。当一个私网内部的设备想要给公网中的设备传输信息时，就好比一个小区内部门牌号给其他地区的小区寄快递。
NAT技术就负责把寄件人的信息映射为小区的地址，相当于对发送方的起始位置变为其范围管辖区，而不是落实到一个具体的设备

• 意义：通过 NAT，上百台内网设备可以共用 1 个 公网 IP 访问互联网，极大地节省了地址资源。

数据发送：NAT地址替换

通过NAT技术，使得服务器接收到的数据包的源IP地址由最初发送方的IP变为NAT网关的IP。
假设同一个私网内的多个设备向公网服务器发起请求时，当服务器对处理完响应，返回数据时，当传输数据原路返回到达NAT网关时，由于NAT对源IP进行了替换，如何才能知道该把数据传给私网内的那一台设备呢？

数据返回：NAT映射表

为了解决这一问题，NAT网关保存了NAT源IP替换的IP信息，并将其映射到一张表中

通过此方法，NAT发送时进行源IP替换，返回时按照映射表进行了目的IP替换，完成了数据的正确传输。通过NAT技术，一个私网内部的上百台设备可以使用同一个公网IP（网关IP）来访问互联网，极大的减少了IP地址的资源开销

IPv6

以上的技术手段都是从减少主机使用的IP地址来实现地址分配，而IPv6则是地址数量极多，地址数量多到可以给地球上每一粒沙子都分配一个独立的 IP。

• 空间巨大：IPv6 采用 128 位 地址长度（IPv4 仅 32 位）。地址数量多到可以给地球上每一粒沙子都分配一个独立的 IP。

• 地址长相：十六进制表示，如 240e:e1:1234:abcd::1。

• 主要改进：

  1. 取消 NAT：因为地址足够多，每台设备（甚至你的灯泡）都可以拥有全球唯一的公网 IP，恢复了互联网的“端到端”连接。

  2. 安全性：原生支持 IPsec 加密。

  3. 效率高：首部格式简化（虽然地址变长了，但路由器处理起来更快）。

五，总结与对比

以上就是相关IP地址如何分配的知识点，如有纰漏，还请指出~~