IP学习笔记

1.网络层的主要作用

• 转发：把数据包从路由器的输入端转发到输出端，这是在一个路由器里干的事。
• 路由：决定数据包从源到目的的路径。
• 建立连接。

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2.IP地址编址

1. 分类

• 由两部分组成，网络号和主机号，其中不同类别具有不同的网络号长度，并且是固定的。
• P 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}
  

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2. 子网划分

• 通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。注意，外部网络看不到子网的存在。
• IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}
• 子网掩码：是一个 32 位地址。子网掩码只用一个作用，就是将某个 IP 地址划分为子网地址地址和主机地址两部分。如 IP 编址为一个子网分配一个地址：223.1.1.0/24，其中的/24 就称为子网掩码，它表明了 32 比特中的最左侧 24 比特定义了子网地址，后 8 比特是子网中的主机号。
• 主机号全0为网络地址，主机号全为1为广播地址。
• 当主机发出一个目的地址为 255.255.255.255 的数据报时，该报文会被交付给同一个子网中的所有主机。
  子网划分例题链接

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3.IPV6和IPV4的对比

• 更大的地址容量：IP地址长度从32比特增加到128比特。
• 简化高效的定长20字节首部；
• 流标签与优先级为用户提供了更好的服务；

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4.路由选择算法：LS和DV

• 链路状态算法（LS）：Dijkstra 算法就是一个典型的链路状态选路算法。
• 距离向量算法（DV）：是分布式的，每个节点都要从一个或多个直接相连的邻居接收某些信息，执行计算，然后将计算结果发回给邻居。

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5.路由选择协议：RIP、OSPF、BGP

内部网关协议RIP

• RIP 是一种距离向量协议，封装在 UDP 中，适合小型的网络。它是使用跳数作为代价，即每条链路的费用为 1，一条路径的最大费用被限制为 15，超过 15 个就是无穷，写成 16。路由更新信息在邻居之间通过一种 RIP 响应报文交换，大约 30 秒相互交换一次，每个通过最多包含 25 个子网。
• RIP 按固定的时间间隔仅和相邻路由器交换自己的路由表，经过若干次交换之后，所有路由器最终会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器地址。

内部网关协议OSPF

• 开放最短路径优先。OSPF 的核心是一个使用洪泛链路状态信息的链路状态协议和一个 Dijkstra最低消费路径算法。使用 OSPF 时，路由器向自治系统内所有其他路由器广播选路信息，不仅仅是向其相邻路由器广播。每当一条链路的状态发生变化（如费用变化或连接/中断状态的变化）时，路由器就会广播链路状态信息，即使链路状态未发生变化，它也要周期性（至少每隔 30 分钟一次）地广播链路状态。

外部网关协议 BGP

• AS 代表的是一个自治系统，各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，就无法准确定义路径的度量。并且 AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如有些 AS 不愿意让其它 AS 经过。
• BGP 允许每个子网向因特网的其余部分通告它的存在。
• BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。它采用路径向量路由选择协议。
• 每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

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6.动态主机配置协议DHCP

• 利用 DHCP，主机可以自动获取 IP 地址。网络管理员可以配置 DHCP，以便某
  给定主机每次与该网络连接时能得到一个相同的 IP 地址，或者被分配一个临时的 IP 地址，主机每次与该网络连接时该地址都可能是不同的。

DHCP 协议的 4 个步骤：

1. DHCP 服务器发现：DHCP客户端在网络中广播发送DHCP DISCOVER请求报文，发现DHCP服务器，请求IP地址租约。
2. DHCP 服务器提供：DHCP服务器通过DHCP OFFER报文向DHCP客户端提供IP地址预分配。
3. DHCP 请求：DHCP客户端通过DHCP REQUEST报文确认选择第一个DHCP服务器为它提供IP地址自动分配服务。
4. DHCP ACK :被选择的DHCP服务器通过DHCP ACK报文把在DHCP OFFER报文中准备的IP地址租约给对应DHCP客户端。

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7.网络地址转换NAT

• 专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。
• 为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把运输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT。

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8.互联网控制报文协议ICMP

• 由于 IP 网络是尽力而为的（不可靠的），ICMP 是通过差错报文和查询报文来辅助 IP 网络的功能。例如，当 Telnet 或 HTTP 等发出会话时，如果 IP 不能找到一条路径通往目的地址，那么该路由器就会创建和发出一个 ICMP 差错报文到你的主机来指示该错误。

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9.地址解析协议ARP

ip地址与MAC地址之间的对应关系，实现从 IP 地址到 MAC 地址的映射，即询问目标IP对应的MAC地址。在网络通信中，主机和主机通信的数据包需要依据OSI模型从上到下进行数据封装，当数据封装完整后，再向外发出。所以在局域网的通信中，不仅需要源目IP地址的封装，也需要源目MAC的封装。一般情况下，上层应用程序更多关心IP地址而不关心MAC地址，所以需要通过ARP协议来获知目的主机的MAC地址，完成数据封装。