IP协议的地址划分和路由选择

Author:老九
计算机专业
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版权声明&＃xff1a;本文为CSDN博主「浦上青天」的原创文章

IP协议简介

• IP是整个TCP/IP协议族的核心&＃xff0c;也是构成互联网的基础。IP位于TCP/IP模型的网络层&＃xff08;相当于OSI模型的网络层&＃xff09;&＃xff0c;对上可载送传输层各种协议的信息&＃xff0c;例如TCP,UDP等&＃xff1b;对下可将IP信息包放到链路层&＃xff0c;通过以太网&＃xff0c;使用各种技术来传送

主要功能

IP分组规则

一个IP包从源主机传输到目标主机可能需要经过多个不同的网络。由于各种网络的数据帧都有一个最大传输单元(MTU)的限制&＃xff0c;如以太网帧的MTU是1500&＃xff1b;因此&＃xff0c;当路由器在转发IP数据包时&＃xff0c;如果数据包的大小超过了出口链路的最大传输单元时&＃xff0c;则会将该IP分组分解成很多个足够小的片段&＃xff0c;以便能够在目标链路上进行传输。这些IP分片重新封装一个IP包独立传输&＃xff0c;并在到达目标主机时才会被重新组起来。所以网络层的IP可以自动分包组包&＃xff0c;而传输层的UDP就不行

IP转发规则

路由器仅根据网络地址进行转发。当IP数据包经过由路由器转发的时候&＃xff0c;如果目标网络与本地路由器直接相连&＃xff0c;则直接将数据包交付给目标主机&＃xff0c;这称为直接交付。否则&＃xff0c;路由器通过路由表查找路由信息&＃xff0c;并将数据包转交给指明的下一个路由器&＃xff0c;这称为间接交付。路由器在间接交付中&＃xff0c;若路由表中由到达目标网络的路由&＃xff0c;则把数据包传送给路由表指明的下一个路由器。如果没有路由&＃xff0c;但路由表中有一个默认的路由&＃xff0c;则把数据报传送给指明的默认路由器&＃xff1b;如果两者都没有&＃xff0c;则丢弃数据包并报告错误。

IP协议格式(初步了解即可)

4位版本号

指定IP协议的版本&＃xff0c;对于IPv4来说&＃xff0c;就是4&＃xff0c;对于IPv
6来说&＃xff0c;就是6

4位首部长度

4bit相当于0-15&＃xff0c;IP头部最大长度为60字节&＃xff0c;根据可选字段来变化

8位服务类型

3位优先权字段(已经弃用)&＃xff0c;4位TOS字段&＃xff0c;和1位保留字段&＃xff08;必须置位0&＃xff09;&＃xff0c;4位TOS分别表示 最小延时&＃xff0c;最大吞吐量&＃xff0c;最高可靠性&＃xff0c;最小成本&＃xff0c;这四者相互冲突&＃xff0c;只能选择一个服务类型

16位总长度

IP数据包整体占多少个字节
例如TCP数据包的长度&＃xff0c;在TCP协议头本身中没有&＃xff0c;要搭配IP协议来确定&＃xff0c;IP的总长度-IP报头 &＃61; TCP包长度
再减去TCP报头就是应用层数据长度

16位标识

唯一的标识主机发送的报文&＃xff0c;如果IP报文在数据链路层被分片了&＃xff0c;那么每一个片里面的这个id都是相同的(用来区分那些个小包属于同一个大包)

3位标志字段

第一位保留(保留的意思是现在不用&＃xff0c;但是还没想好说不定以后要用)第二位是1表示禁止分片&＃xff1b;这时候如果报文长度超过MTU&＃xff0c;IP模块就会丢弃报文。第三位表示“更多分片“&＃xff0c;如果分片了的话&＃xff0c;最后一个分片置为1&＃xff0c;其他是0&＃xff0c;类似于链表中的尾节点null

13位片偏移

是分片相对于原始IP报文开始处的偏移&＃xff0c;其实就是在表示当前分片在原报文中处于在哪个位置&＃xff0c;实际偏移的字节数就是这个值*8而得。因此&＃xff0c;除了最后一个报文之外&＃xff0c;其他报文得长度必须是8得整数倍

8位生存时间

数据报到达目的地得最大报文跳数&＃xff0c;一般是64&＃xff0c;每次经过一个路由&＃xff0c;TTL-1,一直减到0还没有到达&＃xff0c;那么就丢弃了&＃xff0c;这个字段只要是用来防止出现路由循环问题

8位协议

表示上层得协议类型

16位头部校验和

使用CRC进行校验&＃xff0c;来鉴别头部是否损坏

32位源地址和32位目标地址

表示发送端和接收端
4个字节
32位比特
点分十进制&＃xff0c;8个为一组&＃xff0c;2的八次方&＃xff0c;0-255

选项字段

不定长&＃xff0c;最多40字节

地址管理(网段划分)

• IP地址分为两个部分&＃xff0c;网络号和主机号

网络号&＃xff1a;保证相互连接的两个网段具有不同的标识
主机号&＃xff1a;同一网段内&＃xff0c;主机之间具有相同的网络号&＃xff0c;但是必须有不同的主机号

不同的子网其实就是把网络号相同的主机放在一起
如果在子网中新增一台主机&＃xff0c;则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致&＃xff0c;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&＃xff0c;就可以保证在相互连接的网络中&＃xff0c;每台主机的IP地址都不相同
• 有一种技术叫做DHCP&＃xff0c;能够自动的给子网内新增主机结点分配IP地址&＃xff0c;避免了手动管理IP的不便&＃xff0c;一般的路由器都带有DHCP功能&＃xff0c;因此路由器也可以看作一个DHCP服务器
• 在实际的网络架设中&＃xff0c;引入了子网掩码来区分网络号和主机号

子网掩码是一个32位的正整数&＃xff0c;通常用一串0来结尾

网关就是路由地址
将IP地址和子网掩码进行”按位与“&＃xff08;一假则假&＃xff09;操作&＃xff0c;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&＃xff0c;B类,C类无关

比如这个IP地址是192.168.10.2&＃xff0c;子网掩码是28&＃xff08;28就是前面28个1&＃xff09;&＃xff0c;所以得到的网络号就是192.168.10.0

• 通过子网掩码也可以判断出主机的数目
• 用255减去此时子网掩码的最后一个数字&＃xff0c;得到的就是总数目&＃xff0c;但是要再减去一个广播地址&＃xff0c;才是主机数目
• 
  
  #子网地址范围
  
• 特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全部设成0&＃xff0c;就成为了网络号&＃xff0c;代表这个局域网
将IP地址中的主机地址全部设位1&＃xff0c;就成为了广播地址&＃xff0c;用于给同一个局域网中的所有主机发送数据包
127.0.0.1是本机的环回地址

IP地址的数量限制

我们知道&＃xff0c;IP地址是一个4字节32位的正整数&＃xff0c;那么一共只有2的32次方个IP地址&＃xff0c;大概是43亿左右&＃xff0c;而TCP/IP协议规定&＃xff0c;每个主机都需要有一个IP地址
这意味着&＃xff0c;一共只有43亿台主机能接入网络吗&＃xff1f;
实际上&＃xff0c;由于一些特殊的IP地址的存在&＃xff0c;数量远数量远远超过43亿。另外IP地址并非是按照主机台数来配置的&＃xff0c;而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址
CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题&＃xff0c;但仍然不是很够用&＃xff0c;这时候有三种方式来解决

1. 动态分配IP地址&＃xff1a;只给接入网络的设备分配IP地址&＃xff0c;因此同一个MAC地址的设备&＃xff0c;每次接入互联网中&＃xff0c;得到的IP地址不一定是相同的
2. NAT技术&＃xff0c;本质上用一个广域网的一组ip&＃xff0c;代表一组局域网的设备
3. IPv6.IPv6和IPv4是两个互不兼容的协议&＃xff0c;IPv6使用16字节128位来表示一个IP地址&＃xff0c;但目前还没有普及

NAT技术

• NAT技术是解决当前IP地址不够用的主要手段&＃xff0c;是路由器的一个重要功能

NAT能够将私有IP对外通信时转为局部IP(本质)
也就是说这是一种将私有IP和局部IP相互转化的技术方法。很多学校&＃xff0c;家庭&＃xff0c;公司内部次啊用每个终端设置私有IP&＃xff0c;而在路由器或必要的服务器上设置全局IP
全局IP要求唯一&＃xff0c;但是私有IP不需要&＃xff0c;在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的

• NAT IP转换过程
  

NAPT

• 那么问题来了&＃xff0c;如果局域网内&＃xff0c;有多个主机都访问同一个外网服务器&＃xff0c;那么对于服务器返回的数据中&＃xff0c;目的IP都是相同的&＃xff0c;那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机&＃xff1f;这时候NAPT来解决这个问题。使用IP&＃43;port(端口号)来建立这个关联关系
  
  这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。例如在TCP的情况下&＃xff0c;建立连接时&＃xff0c;就会生成这个表项&＃xff1b;在断开连接后&＃xff0c;就会删除这个表项
• NAT技术缺陷

1.无法从NAT外部向内部服务器建立连接
2.转换表的生成和销毁都需要额外的开销
3.通信过程中一旦NAT设备异常&＃xff0c;即使存在备用设备&＃xff0c;所有的TCP连接也会断开

• NAT和代理服务器
  路由器往往都具备NAT设备的功能&＃xff0c;通过NAT设备进行中转&＃xff0c;完成子网设备和其他子网设备的通信过程。代理服务器看起来和NAT设备有点像&＃xff0c;客户端向代理服务器发送请求&＃xff0c;代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器&＃xff0c;服务器返回结果后&＃xff0c;代理服务器又把结果回传给客户端

代理服务器是一种应用比较广的技术
翻墙&＃xff1a;广域网中的代理
负载均衡&＃xff1a;局域网中的代理

私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部组建局域网&＃xff0c;IP地址只用于局域网内的通信&＃xff0c;而不直接连到Internet上&＃xff0c;理论上&＃xff0c;使用任意的IP地址都可以&＃xff0c;但是RFC 1918规定了用于组件局域网的私有IP地址

10.前8位是网络号
172.16-172.31.前12位是网络号
192.168.前16位是网络号
这些都是私有IP&＃xff0c;其余的则称为全局IP

一个路由器可以配置两个IP地址&＃xff0c;一个是WAN口IP&＃xff0c;一个是LAN口IP
路由器LAN口连接的主机&＃xff0c;都从属于当前这个路由器的子网中
不同的路由器&＃xff0c;子网的IP可以一样&＃xff0c;但同一子网内的IP不可以重复&＃xff08;xxx.1这种一般叫网关&＃xff0c;就是当前局域网的路由器&＃xff09;
每一个家用路由器&＃xff0c;其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点
子网内的主机需要和外网进行通信时&＃xff0c;路由器将IP首部中的IP地址替换成WAN口的IP&＃xff0c;这样逐级替换&＃xff0c;最终数据包中的IP地址成为一个公网IP&＃xff0c;这种技术成为NAT

路由选择(了解)

• 在复杂的网络结构中&＃xff0c;找出一条通往终点的路线
  1.我的电脑发送一个IP数据包&＃xff0c;目的IP是55.66.77.88
  2.这个包从我的电脑出发&＃xff0c;看看我的电脑认不认识这个目的IP
  3.如果认识就直接发送过去(一般都是些相同局域网内的设备认识)
  4.如果不认识&＃xff0c;就把数据再交给光猫
  5.如果光猫不认识就再交给运营商的路由器
  6.就这样如果不认识就一直向上传递&＃xff0c;但是我们的IP报文里有一个生存时间默认64&＃xff0c;如果超过64次传递还没有找到就宣告失败了(只要对方正常&＃xff0c;64足够)

• 访问百度的服务器
  

• 此处TTL为56&＃xff0c;说明传递了64-58&＃61;8次

• 那么每一个路由器如何判断自己认不认识
  通过路由表来判断

目的IP 和子网掩码做按位与运算&＃xff0c;找到其网络号&＃xff0c;然后在路由表中查找是否匹配
如果找到匹配项&＃xff0c;就从对应的路由端口中继续转发
如果没有找到&＃xff0c;就从默认的“下一跳”表项继续转发
如果对方正常&＃xff0c;转发到一定程度&＃xff0c;总会由路由器认识这个IP&＃xff0c;也就发送完成了

• 路由表可以由网络管理员手动维护(静态路由)&＃xff0c;也可以通过一些算法自动生成(动态路由)&＃xff0c;例如距离向量算法&＃xff0c;LS算法等

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