# IP

：因特网协议（Internet Protocol）

属于网络层协议。
IP 协议主要有 IPv4、IPv6 两个版本，后者尚未普及。
两个主机，可以通过 IP 协议相互通信，但需要注意：
- 各个主机，必须使用不同的 IP 地址，表示自己的身份。相当于一个身份 ID 。因此：
  - 一个主机加入一个网络时，必须绑定一个该网络的 IP 地址，才能通过 IP 协议与该网络的其它主机相互通信。
  - 一个主机可以拥有同一个网络的多个 IP 地址。也可以同时加入多个网络，拥有不同网络的多个 IP 地址。
- 两个主机之间通过 IP 协议通信时，不会建立连接。IP 协议只提供尽力而为的数据传输服务，只管把数据发送出去，不进行差错控制。因此是不可靠的通信协议。

# 寻址

IP 数据包中会记录源 IP 地址、目标 IP 地址。封装成以太网帧之后，记录的就是源 Mac 地址、目标 Mac 地址。
- 在数据链路层，通常采用以太网协议进行网络通信，根据 Mac 地址来寻址。
  - 每个主机收到一个以太网帧时，会检查其目标 Mac 地址。如果是本机地址，则接收该帧，否则转发或丢弃该帧。
- 在网络层，通常采用 IP 协议进行网络通信，根据 IP 地址来寻址。
  - 每个主机收到一个 IP 数据包时，会检查其目标 IP 地址。如果是本机地址，则接收该包，否则转发该包。
假设主机 A 的 IP 为 10.0.0.1/24 ，想发送一个 IP 协议的数据包给主机 B 。
- 如果已知主机 B 的 IP 为 10.0.1.2/24 ，位于另一个子网。则主机 A 会将 IP 包发送给网关，进行路由转发。
  - 在网络层，该 IP 包的目标地址填的是 10.2.0.2 。
  - 在数据链路层，该 IP 包封装在以太网帧里，帧头的目标地址填的是网关的 Mac 地址。
- 如果已知主机 B 的 IP 为 10.0.0.2/24 ，位于同一个子网，则可以在物理层直接通信：将 IP 包封装在以太网帧里，帧头的目标地址填的是主机 B 的 Mac 地址。
- 如果已知主机 B 的 IP 为 10.0.0.2/24 ，但不知道主机 B 的 Mac 地址，则不能在物理层寻址，比如 ping 不通。需要使用 ARP 协议，查询主机 B 的 Mac 地址。
根据接收者数量的不同，可将目标 IP 地址分为几类：
- 单播地址（unicast）：发往单个 IP 地址。
- 多播地址（multicast）：发往一组 IP 地址。
- 广播地址（broadcast）：地址全为 1 ，可以被所有 IP 的主机接收。
根据网络用途的不同，可将 IP 地址分为两类：
- 私有 IP 地址
  - 接入私有网络（比如一个局域网）的每台主机，需要绑定一个私有 IP 地址，在该网络中唯一。
  - 私有网络中，一般给各个主机分配一个私有 IP 地址，而不分配公网 IP 地址。因为公有 IP 地址短缺，需要付费才能使用。
- 公有 IP 地址
  - 接入因特网的每台主机，需要绑定一个公有 IP 地址，在全球因特网中唯一。
  - 如果主机没有绑定有效的公有 IP 地址，则该主机的网络流量不能被路由器正确处理。

# IPv4

IP 协议主要有 IPv4、IPv6 两个版本，后者尚未普及。
IPv4 地址的长度为 32 位，分为 4 个字段。
- 每个字段有 8 位，用点分十进制表示就是每个字段为一个 0~255 的十进制数。
- 采用 "网络号+主机号" 的结构，每个网络号表示一个逻辑网络。

# 分类

根据开头几位的不同，可将 IPv4 地址分为 5 类：

A 类地址
- 以一个 0 开头，网络号占 8 位，主机号占 24 位，取值范围为 0.0.0.0~127.255.255.255 。
- 第一个字段有 2^7=128 个可能值，取值范围为 0~127 。
- 排除网络号全为 0 的 IP 地址、私有地址 10.*.*.*、环回地址 127.*.*.* 之后，可分配的网络号有 125 个。
  - 每个网络排除全为 0、全为 1 的主机号之后，可分配的主机号有 224-2 个。
  - 因此，可分配的 A 类地址总共有 231 个左右，占全部 IP 地址的一半。
B 类地址
- 以 10 开头，网络号占 16 位，主机号占 16 位，取值范围为 128.0.0.0~191.255.255.255 。
- 第一个字段有 2^6=64 个可能值，取值范围为 128~191 。
- 可分配的网络号有 214 个，每个网络可分配的主机号有 216-2 个。
C 类地址
- 以 110 开头，网络号占 24 位，主机号占 8 位，取值范围为 192.0.0.0~223.255.255.255 。
- 第一个字段有 2^5=32 个可能值，取值范围为 192~223 。
- 可分配的网络号有 221 个，每个网络可分配的主机号只有 28-2=254 个。
D 类地址
- 以 1110 开头，用于多播地址，取值范围为 224.0.0.0~239.255.255.255 。
E 类地址
- 以 11110 ，保留给实验或未来使用，取值范围为 240.0.0.0~247.255.255.255 。

# 特殊地址

以下 IPv4 地址不能用于因特网：

私有 IP 地址

A、B、C 三类地址中，预留了一些 IP 地址，供私有网络使用。

私有 IP 地址有三类，用子网掩码表示为：

10.0.0.0/8        # 取值范围为 10.*.*.*
172.16.0.0/12     # 取值范围为 172.16.*.* ~ 172.31.*.*
192.168.0.0/16    # 取值范围为 192.168.*.*

127.*.*.*
- ：环回地址（lookback、localhost）。
- 发向该 IP 地址的数据包会直接回送到本机，不会被网卡发出去。即只在物理层传输，不会到数据链路层。
- 127.0.0.0 是网络号，一般使用 127.0.0.1 。
- 环回地址对应的子网掩码为 255.255.255.255 。
0.0.0.0
- ：在路由表中用作默认网关，没有找到路由的数据包都会转发给默认网关。
- 如果服务器监听 0.0.0.0 ，则会接受来自任何 IP 地址的访问。

每个网络的以下 IPv4 地址有特殊用途：

主机号全为 0 ：表示该网络本身的网络号。
网络号全为 0 ：表示只发送给该网络的主机。
- 数据包会被路由器限制在该网络内，发送给主机号对应的主机。
主机号全为 1 ：直接广播地址，数据包会被广播给目标网络内的所有主机。
IP 地址全为 1 ：受限广播地址，数据包会广播给当前网络内的所有主机。
- 对应的 MAC 地址为 ffff.ffff.ffff 。
一般将每个网络的第一个主机号留给网关使用，比如 10.0.0.1 。

# 短缺问题

随着因特网的发展，用户越来越多，IPv4 越来越短缺。主要原因：

B 类地址的一个网络中可分配的主机号太多，实际接入的主机少，即使接入了这么多主机也会因为路由表太大增加路由器的负担，导致网络服务质量下降。
C 类地址可分配的网络号很多，但每个网络中可分配的主机号较少，只适用于小型局域网。

为了解决 IPv4 地址短缺的问题，人们研发了多种对策：

划分子网（subnet）
- ：将一个容量大的网络分成几个子网络，将 IP 地址改成 网络号+子网号+主机号 的三级结构（只适用于 A、B、C 类地址），然后用 ip 子网掩码 或 ip/子网掩码长度 的形式表示该子网。
  - 网络号和子网号对应位的子网掩码（subnet mask）全为 1 ，主机号对应位的子网掩码全为 0 。
  - 一个子网 IP 地址与其子网掩码按位与的结果，就是其子网号。
- 例如：对于 192.168.0.0 ，该网络可容纳 2^8-2 个主机，
  - 从 8 位主机号中取出前一位，便可划分 192.168.0.0/25 和 192.168.0.128/25 两个子网，每个子网可容纳 2^7-2 个主机。
  - 再将 192.168.0.128/25 的子网掩码延长一位，又可划分两个子网，每个子网可容纳 2^6-2 个主机。
  - 每个网络中全为 0 和全为 1 的主机号不可用，因此在 192.168.0.128/25 这个子网中，第一个可用的 IP 地址是 192.168.0.129/25 ，最后一个可用的 IP 地址是 192.168.0.254/25 。
- 不划分子网时，A 类地址的默认子网掩码是 255.0.0.0 ，B 类地址的默认子网掩码是 255.255.0.0 ，C 类地址的默认子网掩码是 255.255.255.0 。
- 子网掩码为 255.255.255.255 表示该子网只有一个主机，通常用于环回网口。
构成超网（supernet）的无类别域间路由（CIDR）技术
- ：将网络号前 n 位相同的网络看作同类并合并为一个网络，又称为地址聚合、路由聚合。
- 例如：192.168.0.129 与 192.168.0.130 的前 30 位相同，聚合后的网络为 192.168.0.128/30 。
- 例如：汇聚 .01010000 与 .01010001 、 .01010010 时，三个 IP 地址的前 30 位相同，但是只有两位主机号，去掉全为 0 和全为 1 的主机号后只能分配两个主机号，所以聚合后的网络应该为 .01010000/29 。又因为 .01010000 这个地址已经被占用，为了避免发生冲突，要一直退位，所以聚合结果为 .01000000/27 。
网络地址转换（Network Address Translation ，NAT）
- ：在一个私有网络中，每个主机访问内网的某个主机时，源地址、目标地址都使用私有 IP 地址。访问公网的某个主机时，源地址、目标地址才使用公有 IP 地址。
使用 IPv6 地址
- 这能从根本上解决 IPv4 地址短缺的问题。
- 不过目前 IPv6 协议尚未在全球普及，不够通用。

# IPv6

IPv6 地址的长度为 128 位，分为 8 个字段，每个字段有 16 位，用冒号十六进制表示就是每个字段有 4 个 0~F 的十六进制数。
每个字段前面的 0 可以省略，不过每个位段至少要有一个数字，或者连续几个位段全为 0 时可以省略它们而用双冒号表示。
- 双冒号不可以出现两次，否则无法判断省略的位数。
- 例如：0000:210A:0000:0000:02AA:000F:0000:0000 可简写成 0:210A:0:0:2AA:F:0:0 ，再进一步可简写成 0:210A::2AA:F:0:0 或 0:210A:0:0:2AA:F:: 。
IPv6 协议具有巨大的地址空间、新的协议格式、有效的分级结构等优点。

# 相关概念

# MTU

MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是指允许传输的数据包的最大体积，单位为 bytes 。
- IP 包需要封装成以太网帧之后才能传输。而封装时，需要添加几十字节的以太网协议的 metadata ，增加了网络流量。
  - IEEE 802.3 定义了一个以太网帧的体积最小为 64 bytes ，最大为 1518 bytes 。
  - 为了节约网络流量，应该让每个 IP 包只封装成一个以太网帧（而不是多个），因此通常限制每个 IP 包的最大体积 MTU 为 1500 bytes 。
  - 如果一个 IP 包超过 MTU ，在 IPv4 的情况下会被拆分成多个 IP 包再传输，在 IPv6 的情况下会被丢弃。
- 网卡通常提供了 MTU 配置参数，允许用户调整。
  - 例如某台主机的 MTU 比路由器的 MTU 大，则可能发送体积过大的 IPv4 包，被路由器拆分传输，导致以太网帧数量变多，增加了网络流量。

# IPsec

IPsec 是加密版本的 IP 协议。
IP 协议的数据包中，payload 是明文传输，可能被第三方窃听、篡改。
IPsec 协议将 IP 数据包的 payload 加密之后再传输，从而提高通信安全性。而数据包的头部（比如 src_ip、dst_ip）依然公开，从而能被路由转发。

# NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）不是一种网络协议，而是对 IP 协议包的一种操作，修改其中的源 IP 地址或目标 IP 地址。
例如：
- 用户可以在某台 Linux 主机上，用 iptables 命令添加 NAT 规则，处理该主机收发的 IP 包。
- 用户可以在局域网的路由器软件中，配置 NAT 规则，处理该局域网收发的所有 IP 包。此时，该路由器称为 NAT 网关。
NAT 操作分为两类：
- DNAT（Destination NAT）：修改目标 IP 地址。
- SNAT（Source NAT）：修改源 IP 地址。
NAT 网关的常见用途是，让一个私有网络接入公网。
- 原理：
  - 一个私有网络中，可能所有主机都没有公网 IP 地址，因此不能访问公网。
  - 可以给私有网络部署一台 NAT 网关，绑定一个公网 IP 地址。此时，该 NAT 网关同时接入了私有网络、公网，能将内网主机的 IP 包转发到公网，或者将公网的 IP 包转发到内网。
  - NAT 网关转发 IP 包时，必须修改其中源 IP 地址或目标 IP 地址，才能让 IP 包被送到正确的目标主机。
  - NAT 网关会维护一张 NAT 表，记录每个私网 IP 与公网 IP 的转换关系。
NAT 表的分类：
- 静态 NAT（Static NAT）
  - ：给每个内网 IP 映射一个独享的公网 IP 。因此配置 NAT 表之后，映射关系不会变化。
  - 缺点：
    - 如果有 n 个内网 IP ，就需要购买 n 个公网 IP ，成本高。
- 动态 NAT（Pooled NAT）
  - ：让一个公网 IP 被多个内网 IP 共享，但同时只能被一个内网 IP 映射。每次修改映射关系，就需要更新 NAT 表。
  - 缺点：
    - 同时只有一个内网 IP 能访问公网。
- 端口多路复用（Port Address Translation ，PAT）
  - ：让一个公网 IP 被多个内网 IP 共享，但使用不同的 TCP 端口。
  - 假设一个内网 IP 监听了 TCP 80 端口，映射到公网 IP 的 TCP 80 端口。其它内网 IP 虽然可以同时使用这个公网 IP ，但只能映射不同的 TCP 端口。