文章目录

一、引言
二、IP协议的基本特点
- 2.1 IP协议的作用和基本功能
- 2.2 地址管理
- - 手动分配IP
  - 动态主机配置协议(DHCP)
  - 网络地址转换(NAT)
  - IPv6
- 2.2 路由选择
- - RIP(距离向量型的协议)
  - OSPF(链路状态类型协议)
  - BGP(边界网关协议)
- 2.3 IP协议的特点：
三、IP地址的组成
- 3.1 IP地址的分类
- - 1. 按A/B/C类
  - 2.按照子网掩码分类
  - 3.CIDR 与VLSM
  - 4.全局地址与私有地址
- 3.2 特殊的IP地址
- 环回地址
- 广播地址
- 网关
四、IP协议的工作过程
- IP数据包的传输流程
- IP数据包的封装和解封装过程
- IP协议的路由选择和转发过程

一、引言

其实我为什么要介绍这个ip协议呢.想来大家也不会陌生,IP协议属于网络层的内容,我之所以拿出来讲,是因为ip协议网络层非常重要的一环,它对我们实际的生活产生了非常重要的作用,至于它有什么神奇的,我接下来会慢慢的解释其中的原因.

二、IP协议的基本特点

2.1 IP协议的作用和基本功能

基本功能:IP协议是互联网协议族中最基础的协议之一，其作用是在Internet上实现数据包的传输。
至于它的基本功能就是地址管理和路由选择
地址管理:地址管理就是给每个网络的设备分配一个地址,这个地址是唯一的
路由选择:具体就是网络中的传输,要走哪条路线的

2.2 地址管理

其实针对地址管理,我们可以想象一下ip地址是怎么去给每个设备分配ip地址的,这里我们就需要看一下ip数据包的格式,来分析了.
在这里插入图片描述
综合以上图示,我们可以看到我们有32位源ip地址和32位目的IP地址.32位的ip地址代表这2^32=4,294,967,296,这么多ip地址,怎么去分配呢?实际上我们分配ip地址的方式也是经历了几个变化的.具体经历了哪些分配方式,我一一列举一下.

手动分配IP

最初，IP地址是手动分配的，即由管理员为每个主机分配唯一的IP地址，这种方式需要高度的人工干预，管理成本高，也不够灵活。
为什么一开始采用这种方式呢?谁也没想到,计算机会发展到今天,每一个人都有多个设备,多个设备都需要一个ip地址.突然有一天,发现ip地址突然不够用了,自然我们就要改变策略了.

动态主机配置协议(DHCP)

为了简化IP地址的管理，动态主机配置协议(DHCP)被引入。DHCP是一种自动分配IP地址的协议，允许主机在连接到网络时自动获取一个IP地址、子网掩码、默认网关和其他配置参数。DHCP服务器会在网络上动态分配IP地址，使得管理员只需要维护DHCP服务器即可，大大降低了管理成本。
使用一个简单的话就是,上网的时候才分配ip,不上网就不分配ip,但是这依然没有解决ip地址不够的问题,试问在当今互联网发展的时代,你真的能离开网络一分钟吗?恐怕几秒钟都不行吧

网络地址转换(NAT)

随着互联网的迅猛发展，IPv4地址的枯竭成为一个严重的问题。网络地址转换(NAT)被发明，以解决IPv4地址不足的问题。NAT是一种在IP数据包通过路由器或防火墙时重新写入源地址或目标地址的技术。它允许多台主机共享一个公共IP地址，并且增强了网络的安全性。
这段话估计有些抽象,我们简单来说,我们这个NAT机制就是划分了内网和外网,中间有一个设备把这个ip地址转换了而已,我画个示意图,大家就明白了.
在这里插入图片描述
另外的话,再举一个例子,来说明,具体的流程就如下.

IPv6

IPv6是下一代互联网协议，与IPv4相比，它具有更大的地址空间，更好的安全性和可扩展性。IPv6地址长度为128位，相对于IPv4的32位地址，IPv6能够提供约340万亿亿亿亿个IP地址，可以解决IPv4地址不足的问题。同时，IPv6还提供了更好的安全性和可扩展性，支持更多的协议和服务。
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IPv6相对于IPV4从原来的32位变成了128位,可分配地址多了,自然就解决麻烦了,据说IPv6能为地球上的每一粒啥子分配IP地址.从跟本上解决了地址不足的问题.

2.2 路由选择

IP路由选择的功能是决定数据包从源地址到目的地址的传输路径
其实就是决定一个东西到另一个地方去.实际上我们发送数据要经历的过程.在实际的网络过程中,我们也有可能堵车,所以我们才有了路由选择协议.
在这里插入图片描述

RIP(距离向量型的协议)

距离矢量路由协议,通过交换跳数信息构建路由表
最大跳数限制为15,超过15跳视为不可达,用于小型网络
收敛速度慢,网络拓扑变化时需要较长时间重新收敛
简单易实现,适用于小型网络

OSPF(链路状态类型协议)

链路状态路由协议,通过广播链路状态更新信息构建完整的网络拓扑图,然后使用Dijkstra算法计算最短路径
支持网络分区和路径冗余,用于中大型网络,可支持数万台路由器
收敛速度快,网络变化时可以快速重新收敛新的最短路径
配置和实现较为复杂

BGP(边界网关协议)

路径矢量路由协议,通过与相邻路由器交换路径信息更新路由表
主要用于连接不同的自治系统网络,实现自治系统间的路由选择
通过AS路径属性避免路由循环,每个AS只出现一次
支持手动配置路由策略,实现路由选择的灵活控制
全球公用互联网上部署最广的路由协议

这里我们知识简单的解释一下路由选择协议,这并不是我必须要去解释的,大家感兴趣,可以去了解一下.

2.3 IP协议的特点：

无连接、不可靠、分组交换、最大传输单元（MTU）等。

无连接:IP协议是无连接的,它不在发送方和接收方之间建立和维护连接状态。每个数据包的传输是独立的。

2.面向数据包:IP协议面向数据包提供服务,它不保证数据包的有序到达,也不提供差错控制和流量控制。这简化了协议,并使其适用于几乎任何类型的网络。
3.可变长度:IP数据包的长度是可变的,可以在40~65515字节之间。这使得IP有足够的灵活性来运行各种网络应用。

4.无路由的:IP协议本身并不定义具体路由过程,只定义了路由选择的接口和相关信息。实际路由过程由路由协议如RIP、OSPF和BGP来定义。这使得IP协议本身保持简单,可以根据不同的网络采用不同的路由协议。

5.提供最佳努力的交付:IP协议不保证数据能够被如期交付,它只是尽最大努力完成数据交付。拥塞和错误是可以接受的。需要更强可靠性的应用可以使用上层TCP协议。
6.通过TTL实现数据报文生存期控制:每个IP数据报文都有一个生存期字段,通常称为Time to Live(TTL)。它用于在数据报文的生存期到期之前丢弃该数据报文,并通知发送方。这可以防止数据报文无限期循环。

7.提供片段化与重组:为了适应不同网络中的最大传输单元(MTU),IP协议提供数据报文的分片与重组功能。这使得IP可以在具有不同MTU的异构网络中工作。

三、IP地址的组成

一般来说,IP地址由网络号和主机号组成.
网络号:标识网段,保证相互连接具有不同的标识
主机号:标识主机,同一个网络段内,主机之间具有相同的网络号,但是必须有不同的主机号.
大概是怎么一回事呢,我们在实际网络中,我们可以看一下下图.
在这里插入图片描述

3.1 IP地址的分类

1. 按A/B/C类

大概如下图所示
在这里插入图片描述

2.按照子网掩码分类

255.0.0.0:A类地址,8位网络号,24位主机号
255.255.0.0:B类地址,16位网络号,16位主机号
255.255.255.0:C类地址,24位网络号,8位主机号
255.255.255.224:27位网络号,5位主机号,用于划分小型子网

3.CIDR 与VLSM

CIDR:无类别域间路由选择,使用从1到32的自然数表示子网掩码中当前有多少个网络号位,如/24表示24位网络号,/30表示30位网络号。
VLSM:可变长子网掩码,允许不同子网使用不同长度的子网掩码,实现更加灵活的地址划分,提高地址利用效率。

4.全局地址与私有地址

全局地址:由ICANN统一分配的网络号,用于互联网,如A/B/C类地址和大部分CIDR地址。
私有地址:用于专用网络,不可直接访问互联网。如:
10.0.0.0 - 10.255.255.255
172.16.0.0 - 172.31.255.255
192.168.0.0 - 192.168.255.255