2023.9.18 网络层 IP 协议详解

目录

IP协议

IPv4

32位 源IP 地址 / 32位 目的IP 地址

IP 地址管理

特殊 IP

路由选择

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IP协议

IPv4

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32位 源IP 地址 / 32位 目的IP 地址

基本知识：

• 在 IP 报头中一般表示为 32位 二进制整数
• 日常生活中的 IP 一般将 32位 二进制整数，也就是 4字节 的二进制整数，分割为 4个部分，每个部分用 0~255 十进制整数 表示，形如 176.12.215.122，称为 点分十进制

注意：

• 如果当全世界上网设备都拥有一个唯一且不重复的 IP 地址时，我们 IP报头 中的 32位 整数仅能表示 42亿9千万 台设备，这显然是不够用的

解决方案：

• 动态分配 IP地址：全世界上网设备并不全在 同一时间段 进行上网，此时可以 以此为基础进行 IP地址的动态分配，但是该方案仅提高了 IP地址的利用率，IP地址 的总数并未增加！
• 使用 IPv6：用 128位，也就是 16 字节 来表示 IP地址，相当于 IPv4 能表示设备数量的 4 次方，也就是 42亿9千万 * 42亿9千万 * 42亿9千万 * 42亿9千万 这么庞大的数量，为全世界的设备都分配一个 IP地址 都是绰绰有余的 
• NAT 网络地址转换：本质为一个 IP地址 代表一批设备，进一步提高 IP地址的利用率

NAT 将 IP地址 分为两大类：

• 内网 IP（私网 IP）：10.*  或 172.16.* ~ 172.31.* 或 192.168.*
• 外网 IP（公网 IP）：除私网 IP 以外均为 公网 IP

规则：

• 公网IP 必须是唯一的
• 私网IP  在不同局域网内 可以重复使用
• 私网中的某一设备想访问公网的设备，需要用到对应的 NAT设备（路由器），将 IP地址 进行映射，从而完成网络访问
• 公网的设备 无法直接访问 私网的设备
• 不同局域网的私网设备无法直接相互访问

查看本机的私网IP：

• 打开 cmd 输入 ipconfig

• 红框部分为本机电脑的 私网IP

查看本机的公网IP：

• 打开浏览器搜索 IP地址

• 点开上图红色箭头所示链接

• 红框部分为 运营商路由器 为本机提供的 公网IP

NAT 具体工作流程图：

总结：

• 虽然 IPv6 能满足我们的需求，但是现今世界还是主要使用 IPv4 + NAT + 动态分配 来进行网络的组件，其中最重要的原因是 IPv6 和 IPv4 不兼容，如需更换 IPv6 则需更换路由器等网络设备，所带来的经济效益十分的低！

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IP 地址管理

IP地址 分为两部分：

• 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段有不同的标识（局域网）
• 主机号：标识主机，主机之间具有相同的网络号，但必须有不同的主机号

如何划分网络号和主机号？

• 通过 子网掩码 

• 特点：左边都为1，右边都为0
• 图中 子网掩码 为 255.255.255.0（家用设备 最常见的）
• 即 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
• 1 的部分描述 该 IP 有多少位为 网络号，0 的部分描述 该 IP 有多少位为 主机号

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特殊 IP

• IP地址 的主机地址全部设为 0 ，变为网络号，代表这个局域网
• IP地址 的主机地址全部设为 1 ，变为广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所以主机发送数据，使用 UDP 往该地址发送数据报，整个局域网所以的设备都能收到
• 127.* 的 IP地址用于本机环回测试，通常为 127.0.0.1
• 主机号为 1， 通常为 网关IP，也就是网络的入口，也可自行配置

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路由选择

核心思路：

• 问路

具体思路：

• 每个路由器会保存一定的周围设备的信息（路由表）
• IP数据报 每经过一个路由器，需要匹配路由表，来看下一步咋走
• 如果路由表有匹配项 （认识路）则直接按照要求走
• 如果没有匹配项（不认识路） 则会提供一个默认路径，大体方向是对的
• 循环上述过程，直到到达 目的IP

注意：

• 每经过一个路由器问一次，同时 TTL-1，如果减到 0 ，还未到达 目的IP ，该 IP数据报将被直接丢弃
• 当然 TTL 的值为32，足够将 IP数据报 传输给全世界任何地方