计算机网络——网络层重要协议（IP）

news2024/10/5 14:13:23

网络层的作用：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径

IP 协议（Internet Protocol）

IP 数据报格式

4 位版本号：指定 IP 协议的版本，对于 IPV4 来说就是 4
4 位首部长度：用于表示 IP 首部的长度，单位是 32 位（4字节），IP 首部最小长度是 20 字节，最大长度是 60 字节（包含选项）
8 位服务类型：3 位优先权字段(已经弃用)，4 位 TOS 字段，和 1 位保留字段(必须置为 0)，4位 TOS 分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者相互冲突，只能选择⼀个，对于 ssh / telnet 这样的应用程序，最小延时比较重要，对于 ftp 这样的程序，最大吞吐量比较重要；
16 位总长度：表示 IP 数据报整体所占字节，最大为 64 KB，但支持拆包，组包功能；
16 为标识：该字段用于唯一标识每一个数据报，一个大的数据包拆成多个小包时，他们的 16 位标识是相同的；在数据报被分片时，帮助接收端将所有分片重新组装成原始的完整数据报；
3 位标志：用于控制和指示数据报分片的状态：第1位（最高位）是保留位，必须设置为0，目前没有使用，将来可能用于扩展；第二位是 DF 位，表示当前数据包是否允许拆包（0 表示允许）；第三位是 MF 位，表示这是否是数据报的最后一个分片（0 表示是最后一个分片）；
13 位片偏移：描述当前每个小的数据包（分片的）的相对位置，更方便组包；
8 位生存时间 TTL（Time to Live）：描述当前数据包在网络上能存活多久，单位是次数，会有一个初始值（32,64,128），没经过一个路由器转发，TTL 减 1，TTL 为 0 时，就会丢弃该数据包（防止目标 IP 不存在，从而浪费网络资源）；
8 位协议：指的是封装在 IP 数据报中载荷（数据）部分的上层协议，通常是指传输层协议（如 TCP，UDP），但也可以是其他需要 IP 封装的协议（如 ICMP，IGMP）；
16 位首部检验和：用于检查 IP 首部的（不包括载荷）完整性，验证 IP 数据报在传输过程中是否发生了错误或数据损坏；
32 位源 IP 地址和 32 位目的 IP 地址，分别代表IP数据报文中的源地址（发送者）和目的地址（接收者），使用点分十进制表示；

地址管理

网段划分

IP 地址分为两个部分，网络号和主机号：

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识；

主机号：用于区分同一个网段中的不同主机；

同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须具有不同的主机号；

子网就是把网络号相同的主机放到一起，如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复；通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的 IP 地址都不相同；

DHCP

DHCP 协议——动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），用于自动为网络上的设备分配 IP 地址和其他相关配置参数，如网关，子网掩码和 DNS 服务器，一般的路由器都带有 DHCP 功能，因此路由器也可以看做一个 DHCP 服务器；

IP 地址的划分

IP 地址划分为五类

A 类：0.0.0.0 - 127.255.255.255
B 类：128.0.0.0 - 191.255.255.255
C 类：192.0.0.0 - 223.255.255.255
D 类：224.0.0.0 - 239.255.255.255

随着 Internet 的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，大多数组织都申请 B 类网络地址，导致 B 类地址很快就分配完了，而 A 类却浪费了大量地址；

针对这种情况提出了新的划分方案，称为 CIDR(Classless Interdomain Routing)：引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；子网掩码也是一个 32 位的正整数，通常用一串 "0" 来结尾；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；网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类无关；

IP 地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如 140.252.20.68/24，表示 IP 地址为140.252.20.68，子网掩码的高 24 位是 1，也就是 255.255.255.0；

特殊的 IP 地址

将IP地址中的主机地址全部设为 0，就成为了,网络号，代表这个局域网；
将IP地址中的主机地址全部设为 1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包；
127.* 的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是 127.0.0.1；

IP 地址数量的限制

IP地址(IPv4)是一个 4 字节 32 位的正整数，则一共只有 2 的 32 次方个 IP 地址，大概是 43 亿左右；TCP / IP协议规定，每个主机都需要有一个 IP 地址，因此这就存在 IP 地址不够用的问题，这时候有三种方法来解决：

动态分配 IP 地址：只给接入网络的设备分配 IP 地址，因此同一个 MAC 地址的设备，每次接入互联网中，得到的 IP 地址不一定是相同的，这种做法只是提高了 IP 地址的利用率，并没有增加 IP 地址的数量；
NAT 技术：是一种用于改变 IP 地址信息的技术，通常用于将内部私有网络的IP地址转换为公共IP地址，从而实现内网设备与外网（如互联网）之间的通信；
- 内网：也称局域网，指在一个组织、家庭或单位内部使用的网络，不直接连接到互联网；这种网络通常使用私有 IP 地址，局域网中的设备可直接通信；局域网是一个独立的网络，不直接暴露在互联网上，从而提供了一定程度的安全性；
  - 以 10.*，172.16.* - 172.31.*，192.168.* 开头的 IP 地址
  - 在同一个局域网内，内网 IP 不能重复
  - 在不同的局域网中，内网 IP 可以重复
- 外网：也称为广域网，通常指互联网或任何能够覆盖较大地理范围的公共网络，在广域网中，设备使用公共IP地址，这些地址在全球范围内是唯一的，可以在互联网上访问
  - 除过内网 IP，其余都是外网 IP
  - 外网 IP 不能重复
- 公网设备与局域网设备之间的访问关系：
  - 公网设备访问公网设备，由于公网的 IP 可作为唯一标识，因此可以直接访问；
  - 局域网设备访问同一个局域网设备，由于同一个局域网中的 IP 地址不能重复，因此也可以直接访问；
  - 局域网设备访问局域网设备，不允许；
  - 公网设备访问局域网设备，不允许主动访问；
  - 局域网设备访问公网设备，由于多个局域网中的 IP 可能相同，为了使公网设备可以区分，在访问公网时，需要对局域网 IP 进行地址转换；
- 局域网内主机访问公网服务器的过程