# IP

TCP/IP 协议簇包含 IP、TCP、UDP 等多种协议,是因特网的核心通信协议。

# IP 协议

:因特网协议(Internet Protocol)

  • 属于网络层协议,规定了网络上的主机用 IP 地址确定自己的身份。
  • 面向无连接,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。
    • 是不可靠的通信协议。
  • 通过 IP 协议,主机可以加入一个私有网络或因特网。
    • 私有 IP :接入私有局域网的每台主机都必须被分配一个该局域网的 IP 地址。
      • 一个主机可以拥有同一个网络的多个 IP 地址,也可以拥有不同网络的多个 IP 地址。
    • 公有 IP :接入因特网的每台主机都必须被分配一个公有 IP 地址。
  • IP 协议主要有 IPv4、IPv6 两个版本,后者尚未普及。

# 相关概念

  • IP 数据包中会记录源 IP 地址、目标 IP 地址。封装成数据帧之后,记录的就是源 Mac 地址、目标 Mac 地址。
    • 数据链路层的通信结点收到一个数据帧之后,会先检查是否有错误,然后查看数据帧的目标地址,如果目标地址是本地地址或广播地址就接收该帧,否则转发。
  • 目标 IP 地址的分类:
    • 单播地址:发往某个指定的 IP 地址。
    • 多播地址:发往一组 IP 地址。
    • 广播地址:地址全为 1 ,可以被所有结点接收。
  • 最大传输单元:Maximum Transmission Unit(MTU),允许传输的 IP 数据包的最大大小,单位 Bytes 。
    • 这是数据链路层的概念,主要由网卡决定。
    • 以太网中网卡的 MTU 通常设置为 1500 ,因此经常会将一个 TCP 数据段拆分成多个 IP 数据包再传输。
    • 如果某台主机的 MTU 比路由器的 MTU 大,过大的数据包就会被路由器拆分传输,导致数据包数量变多。

# IPv4

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有一个 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。

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。
    • A 类的私有地址:10.*.*.*
  • 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。
    • B 类的私有地址:172.16.*.*~172.31.*.* ,共 16 个网络号。
  • 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。
    • C 类的私有地址:192.168.*.* ,共 256 个网络号。
  • 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

以下 IP 地址不能用于因特网:

  • 私有 IP 地址 :保留给私有网络使用。这样当主机接入因特网时,路由器能识别出该 IP 是私有 IP 从而忽视它。
  • 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 。

# IPv4 短缺问题

IPv4 地址短缺的问题越来越严重,原因包括:

  • 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,人们采用了以下对策:

  • 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 地址 子网掩码IP 地址/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)
    • :平时给主机分配私有 IP ,当主机联网时才换成公有 IP 地址。
    • 该技术多用于拨号上网:拨号时主机被 ISP 分配一个公有 IP 地址,联网结束时被收回。
  • 使用 IPv6 地址
    • 能从根本上解决 IPv4 地址短缺的问题。
    • 不过全面更换 IP 地址需要的时间久,导致 IPv6 地址还不能通用。

# 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。