第4章 IP協議
阿新 • • 發佈：2018-12-01
第4章 IP網際協議
- 主要負責將資料包傳送給最終的目標計算機，IP能夠讓世界上任何兩臺計算機之間進行通訊。
- 鑑於目前的IP（IPv4)已無法應對網際網路的需求，於是出現了更高版本的IP協議 IPv6
- 網路層可以 跨越不同的資料鏈路 ，即使是在不同的資料鏈路上也能夠實現兩段節點之間的資料包傳輸
- IP的主要作用就是在複雜的網路環境中 將資料包發給最終的目標地址
網路層與資料鏈路層
- 資料鏈路層提供 直連兩個裝置 之間的通訊功能。
- 網路層的IP負責在 沒有直連的兩個網路 之間進行通訊傳輸。
- 總結：假設從源地址0到目標地址n+1要經過n臺裝置，資料鏈路層負責x-y(y-x=1)之間的通訊,ip負責0到n+1的通訊，ip協議在整個過程中不變，資料鏈路協議在會更換n次。
地址
- 資料鏈路層的MAC地址用來標識同一個鏈路中不同計算機的一種識別碼
- 網路層Ip地址用於在 連線到網路中的所有主機中識別出進行通訊的目標地址 ，因此在TCP/IP通訊中所有主機或路由器必須設定自己的IP地址
分片
- 不同的資料鏈路，它們各自最大的傳輸單位( MTU: Maximum Transmission Unit)可能不同（乙太網：1500位元組，FDDI:4352位元組，ATM:9180位元組）
- 如果IP的上一層可能會要求傳送比這些MTU更多位元組的資料，所以IP進行 分片處理(IP Fragmentation)
無連線與有連線
- 有連線 : 在面向有連線的情況下，需要事先建立連線。如果對端主機關機或不存在，也就不能建立連線。
- 無連線 ：即使對端主機關機或不存在，資料包還是會被髮送出去。
IP屬於面向無連線型
- 對於一臺主機來說，它會何時從哪裡收到資料也是不得而知的。通常應該進行網路監控，讓主機只接收發給自己的資料包。若沒有做好準備很有可能會錯過一些該收的包。因此，在面向無連線的方式下可能會有很多冗餘的通訊。
為什麼IP要採用面向無連線？
- 簡化：管理連線時一個相當繁瑣的事情。
- 提速：每次通訊之前都要事先建立連線，會降低處理速度。需要有連線時，可以委託上一層（傳輸層TCP）提供此項服務。
為了提高可靠性，上一層的TCP採用面向有連線型
- IP只盡最大努力把資料包傳送到最終目標地址，不做最終收到與否的驗證，還會發生丟包、錯位以及資料量翻倍等問題。
- 網路分層協議在上一層傳輸層TCP協議中提供可靠的性服務，保證對端主機確實接收到資料。
網路分層的意義
- 簡化具體實施和程式設計
- 如果要一種協議規定所有的功能和作用，那麼該協議的具體實施和程式設計就會變得非常複雜，無法輕易事項。
- 明確TCP與IP各自協議的最終目的，也有利於後續對這些協議進行擴充套件和效能上的優化。
IP地址
- 網路標識：區分不同的網段，作為路由的依據
- 主機標識：區分同一網段的不同主機
- 子網掩碼：區分網路標識和主機標識
IP地址的分類
通過開頭和標識位位數就可以推斷出網路標識位
- A類地址：A類IP地址以 0 開頭的地址，第 1-8 為網路標識位(0.0.0.0 ~ 127.0.0.0)
- B類地址：B類IP地址以10 開頭的地址，第 1-16位 為網路標識位(128.0.0.1 ~ 191.255.0.0)
- C類地址：C類IP地址以110開頭的地址，第 1-24位 為網路標識位(192.168.0.0 ~ 239.255.255.0)
- D類地址：D類IP地址以1110開頭的地址，第 1-32位 為網路標識位(224.0.0.0 ~ 239.255.255.255)
廣播
- 0:對應的網路地址或IP地址不可獲知
- 1：作為廣播地址
- 本地廣播ip: 本地網段網路標識+全為1的主機標識
- 直接廣播ip: 其他網段網路標識+全為1的主機標識
多播
相對於廣播，多播既可以穿透路由，又可以實現只給那些必要的組傳送資料包
- 廣播：A,B,C類地址，主機標識全為1
- 多播：D類地址（1110 + 28位組編號）
子網掩碼
- 子網掩碼**（網路標識位全為1，主機位全為0）**
- 子網掩碼使一個IP地址可以不再受限於自己的類別(ABCD)，而是可以用子網掩碼自由的定位自己的網路標識長度。
二進位制
- 00000001: 1
- 00000010: 2
- 00000100: 4
- 00001000: 8
- 00010000: 16
- 00100000: 32
- 01000000: 64
- 10000000: 128
子網掩碼
- 直接使用A類、B類、C類地址會顯得浪費資源，為此人們使用子網掩碼的組合方式減少這種浪費，實際使用的過程中都是使用子網掩碼而非A、B、C類地址。
- 子網掩碼網路標識位全為1，主機標識位全為0。一個IP地址不在受限於自己所屬的類別，而是由子網掩碼自由的定位自己的網路標識長度。
子網掩碼兩種表示方式
- IP地址 172. 20. 100. 52(..*.00110100)
- 網路地址 172. 20. 100. 0(IP地址&子網掩碼)
- 廣播地址 172. 20. 100. 63(..*.0011111111網路地址主機號為1)
- 子網掩碼 255. 255. 255. 192( ..*.11000000)
- IP地址 172. 20. 100. 52 /26
延緩IP地址耗盡問題
CIDR(Classless Inter-Domain Routing)
- 定義：採用任意長度分割IP地址的網路標識和主機標識(無型別域間選路)
- 對應利用子網掩碼，區分網路標識位和主機位，將通過(IP地址&子網掩碼)結果相同的主機，劃分為統一個網段
VLSM(Variable Length Subnet Mask)
- 同一組織下的不同部門所擁有的主機數不同，為此人們提出組織內要使用可變長度的、高效的IP地址分配方式。
全域性地址與私有地址
- 它不要求為每一臺主機或路由器分配一個固定的IP地址，而是在必要的時候只為相應數量的裝置分配唯一的IP地址
- 尤其對於那些沒有連線網際網路的獨立網路中的主機，只要保證在這個網路內地址唯一，可以不用考慮網路即可配置相應的IP地址。
- 私有網路的IP地址
- 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 (10/8) A類
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 (172.16/12) B類
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 (192.168/16) C類(現在公司用的也是192.168)
- 除私有IP之外的為全域性IP(公網IP)
- NAT : 互換私有IP與全域性IP的技術，配有私有地址的主機與配有全域性地址的網際網路主機實現通訊（現在有很多學校、家庭、公司內部正採用在每個終端設定私有IP，而在路由器（寬頻路由器）火災必要的伺服器上設定全域性IP地址，如果配有私有IP的地址主機連網時，則通過NAT進行通訊）。
網際網路現狀
- IPv6可以解決使用私有地址的各種限制，但還沒有得到普及，IPv4地址又即將耗盡
- 努力使用IPv4結合NAT技術解決現有問題
路由控制
路由控制表(Routing Table)的形成方式
- 管理員手動設定（靜態路由控制）
- 路由器與其他路由器相互交換資訊時自動重新整理（動態路由控制）
- 用途 : 路由控制表中記錄著網路地址與下一步應該傳送至路由器的地址
- 預設路由標記 : 0.0.0.0/0
- 主機路由 ： “IP地址/32”，整個IP地址的所有位都將參與路由，基於主機上網絡卡配置的IP地址本身。
- 環回地址 ： 同一臺計算機上的程式之間進行網路通訊時所使用的一個預設地址127.0.0.1，與該地址具有相同意義的是一個叫做localhost的主機名。
路由控制表的聚合
- 對內即使有多個子網掩碼，對外呈現的也是同一個網路地址。
- 路由器A: 192.168.2.0/24
- 路由器B: 192.168.3.0/24
- 路由器C: 聚合A,B對外呈現為192.168.2.0/23
路徑MTU發現
- 找到資料鏈路中最小的MTU,傳送主機按照最小MTU的大小將資料報分片後傳送，避免在中途的路由器上進行分片處理，提升效能以及網路的利用率。
- 主機通過ICMP的不可達資訊獲得MTU的值，主機進行分片處理重新發送，重複操作直到主機不再受到ICMP不可達資訊。
IPv6
- 8個16位位元組
IPv4首部
- 版本(Version):4位元位，標識IP首部的版本號。IPv4的版本號為4
- 首部長度(IHL:Internet Header Length):4位元位，表明IP首部的大小，單位為4位元組。對於沒有可選項的IP包，首部長度則設定為5(20位元組)
- 總長度（Total Length)：16位元位，表示IP首部與資料部分合起來的總位元組數，IP包的最大長度為65535位元組
- 協議(Protocol):8位元位，表示IP首部的下一個首部隸屬於哪個協議(IP:4、TCP:6、ICMP:1…)
- 源地址(Source Address):32位位元位
- 目標地址(Destination Address):32位位元位
術語
- BGP（Border Gateway Protocol):邊界閘道器協議
- ICANN （Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）：網際網路名稱與數字地址分配機構