IP协议主要干两件事：
1.地址管理。给每个设备分配一个IP。
2.路由选择。选择网络中数据传输的路线。

1.地址管理

在IP协议报文格式中，可以看到IP地址是由32位二进制数构成的。
通常用点分十进制的形式表示，比如：192.168.0.1。

32位的IP地址被分成了四个部分，每个部分有8位，也就是一个字节。

每个字节表示成十进制数的范围就是0~255。

32位IP地址所带来的问题
这32位IP地址能表示的IP个数最多是2³²，大约是43亿个IP地址。
这放在以前应该够用了，但是放到现在远远不够用。因为世界上有那么多的主机，那么多的路由器，那么多的手机，那么多的路由器。网络中的设备已经远远超过了43亿亿，所以网络中的IP地址是不够用的。如何解决这个问题呢？

1.1 动态分配IP地址

世界上那么多设备，并不是每一台设备都时时刻刻上网的。设备上网才分配IP，设备不上网就不分配IP，这样就可以省下一些IP。但是这样子做并没有增加IP地址的数量，并不能彻底解决问题。

1.2 NAT机制

NAT英文全称是“Network Address Translation”,中文意思是“网络地址转换”。

NAT把IP地址分成了两类：1.内网IP 2.外网IP

• 内网IP包括:10.*    172.16.* - 172.31.*    192.168.*

• 外网IP包括除内网IP以外，剩下的IP

内网IP在不同的局域网中是可以重复的，外网IP则必须要求唯一。
但是这个外网IP并不是一个设备独占的，而是一个内网中的很多设备都共用一个外网设备。

比如：
一个网吧中的所有电脑都处在一个内网中，这些设备有不同的内网IP，但是共用一个外网IP。

下面是NAT的具体过程:

主机A和主机B在同一个内网中。

路由器是NAT设备，会对A和B进行地址转换。

发送到服务器中。

服务器会响应A和B的请求，这些响应都是发到路由器上的，路由器再把响应中的IP转成内网中的IP，再发给A和B。

1.3 IPV6协议

动态分配IP地址和NAT机制都不能从根本上解决问题，而IPV6协议真正从根本上解决了IP地址不够用的问题。
在IPV6协议中，使用16个字节，128位来表示IP地址，能表示2¹²⁸个IP地址，这个数字大到能给地球的每一粒沙子分配一个IP地址。

1.4IP地址

IP地址分为两个部分：
1.网络号。标识网段，保证两个网段之间有不同的网络号。
2.主机号。标识主机，同一个网段中，主机之间的网络号是相同的，但是主机号是不同的。
简单来说，网络号标识了一个局域网，主机号标识了一个局域网中的主机。

一个路由器中有LAN口IP和WAN口IP，就是为了把两个局域网区分出来，路由器的一个作用就是把两个局域网连接起来。

在家庭中，网络结构可能如下图所示：

在电脑A和电脑B和路由器组成的局域网中，它们的网络号相同，主机号不相同。
网络号为192.168.0,主机号分别为13，14, 1。

在由路由器、电视和光猫组成的局域网中，它们的网络号也相同，主机号不相同。
网络号为192.168.1,主机号分别为10，11，1。

注意：
在上图中，前三个字节作为网络号，但在真正的网络中，不一定要以前三个字节为网络号。

网络号有两种分法：

• IP地址分类(ABCDE类)。
  
  前缀的几位二进制位用来表示这个IP地址的类别。
  就拿A，B类IP地址来说，主机号太长了，很少有这么大的局域网，主机的数量达到了一个亿多。现在很少用这种分类的方式划分IP地址，所以就不过多赘述。
• 子网掩码
  子网掩码也是一个32位二进制数，用来表示IP地址哪部分用作网络地址。
  就比如：255.255.255.0   二进制：11111111.11111111.11111111.00000000
  可以看到这个子网掩码左边全是1，右边全是0。
  这个子网掩码的前24位都是1，就表示IP地址中的前24位用来当作网络号，后8位用来当作主机号。

可以在windows控制台输入ipconfig，查看自己的IP地址和子网掩码。

IPv4地址：172.20.10.3
子网掩码：255.255.255.240 二进制：11111111.11111111.11111111.11110000
这个子网掩码表示IP地址前28位表示网络号，后4位表示主机号。

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作，得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。

举个例子：
IP地址：    10101100.00010100.00001010.00000011
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11110000
网络号：10101100.00010100.00001010.00000000 = 127.20.10.0
主机号：00000000.00000000.00000000.00000011 = 0.0.0.3


特殊的IP地址
假设有一个IP地址是：192.168.0.11 子网掩码：255.255.255.0
那么可以得到这个局域网的网络号：192.168.0.0

1.主机号部分全为0的IP地址

主机号为0的IP地址：192.168.0.0 。
同时也是网络号，这个主机IP在局域网中是不使用的。

2.主机号部分全为1的IP地址

主机号全为1的IP地址：192.168.0.255 这个IP地址会作为广播地址来使用

3.以127开头的IP地址

以127开头的IP，127.*，被用作环回IP。

4.主机号为1的IP

主机号为1的IP，在这个局域网中是：192.168.0.1一般用作网关IP，这里只是一般来说，并不是绝对的，也可以用主机号为其他数字的IP作为网关IP。

2.路由选择

路由选择具体负责的就是数据传送的路径。就像现实世界中，从一个地方到另外一个地方可能有好几条路径，使用高德地图就可以知道哪条路径最短，最省时间。
但是网络环境比较复杂，一些路由器只知道与它相邻的路由器的情况，并不知道目标主机在哪，只能由把数据从一个路由器转给另一个路由器，逐渐逼近目标主机。
如下图：

A路由器知道B路由器的情况，但不知道C路由器的信息，所以就把数据传给路由B了。路由B把数据给路由C，重复上述过程，可以把数据送到终点。

路由器有一个路由表，路由器在路由表中寻找目的IP。

• 如果找不到，会默认把数据发给上一级路由器，上一级路由器更高级，拥有的信息更多。
• 如果找到了，那就把数据发给指定的下一个路由器。