网络层协议（二）IP网际协议

①  IP协议的多播

向多台主机发送数据的方法有两种：广播和多播。在早期的多播实现方法主要是利用广播技术，接收端根据是否需要数据来判断数据是否丢弃。这样会造成网络流量的浪费。另外广播无法穿透路由，因此需要往不同的网段发送数据时，就需要采用其他技术。

多播和地址：

多播使用D类地址，前四位为1110，就可以认为是多播地址，剩下的28位为多播编号。从224.0.0.0到239.255.255.255都是多播地址，而224.0.0.0和224.0.0.255范围内不需要路由控制。在这个范围之外的多播地址会给全网组内成员的发送多播地址。

对于多播，所有的主机，必须属于224.0.0.1的组。路由器必须属于224.0.0.2的组。多播地址有众多已知地址。多播的技术实现还需要IGMP的协议的支持。

②  子网掩码

网络标识相同的计算机必须属于同一个链路。例如B类IP网段允许接入6.5K个计算机，而实际情况同一个数据链路不会同时接入如此多的计算机，因此这类网络结构不存在。

因而，直接使用A类或者B类的地址，有些浪费。并且网络地址也越来越不足以应对需求，直接用A、B、C类IP地址更会导致资源浪费，因此使用组合方式可以减少这种浪费。

  现在的方法是，一个IP地址的网络标识和主机标识不再受限于地址类别，而是用一个子网掩码的识别码通过子网网络地址细分出比A、B、C类网络粒度更小的网络，实际上即将原来的ABC类的主机地址部分用作子网地址，将原网络划分为多个物理子网的一种机制。

子网掩码工32bit，他对应IP地址网络标识的部分全部为1，对应IP地址主机标识的部分全部为0，因此，一个IP地址可以借助子网掩码自由的定位自己的网络标识长度。

例如：

IP地址：172.20.100.52

子网掩码：255.255.255.192（11111111.11111111.11111111.11000000）

网络地址：172.20.100.0

因此如果要得出网络标识地址，将IP地址与子网掩码进行与即可。

③  CIDR和VLSM

90年代，一般大型的网络，会分配一个A类地址，小架构的网络中，会分配C类网络地址。总之网络IP资源有限，无法满足日益成长的网络需求。

因此，人们放弃了IP地址的分类，采用了IP地址任意分割的网络标识和主机标识。这种方式成为CIDR（classinter-domain Routing），无类型域间路由。而边界网关协议（BGR）对应了CIDR，因此不受IP地址分类而自由分配。CIDR技术可以更好的利用网络地址资源。

在CIDR初期，子网掩码的长度是固定的，即如果子网掩码的长度设置为24，那么域内所有的子网掩码都得为24，但是这些固定的机制无法适应实际变化多样的环境。即有一个矛盾：如果全部采用统一的标准，就难以架构出一个高效的网络结构。

VLSM（可变长度子网掩码）就是为了这种问题而但是的技术，其可以通过域间的路由器转换，这样，当网段内设备为500个时，则将子网掩码长度设置为23位，当主机数量为50时，子网掩码长度设置为26位。从而理论上将IP地址的利用率提高了50%。

但这个只是缓解的办法，根本矛盾是IP地址资源不足，因此才出现了后续的IPv6。

④  全局地址和私有地址

初期，IP地址是不允许重复的，但IP资源不够的问题明显了以后，就提出了新技术，不要求对每个主机或者路由器分配一个固定的IP地址，而是在必要的时候，为一定数量的设备分配IP地址。

比如在那些没有接入互联网，而只是在独立网络中的设备，只要保证这个网络内的地址唯一即可。因此提出了私有IP地址，分布如下：

A类：10.0.0.0-10.255.255.255

B类：172.16.0.0-172.31.255.255

C类：192.168.0.0-192.168.255.255

这类IP地址称为私有IP，除此以外的称为公网IP或者全局IP

私有IP如果需要接入互联网，需要使用NAT技术，将私有IP转为公网IP。现代的家庭路由器，一般都具有NAT功能，即为设备分配的是私有IP，路由器或者服务器上配置全局IP。全局IP一般在互联网上是唯一的，但私有地址不需要，不同网段内的私有IP相同互不影响。

因此，现代互联网的主要解决IP地址冲突的方案就是NAT+私有IP，但也存在一些限制，比如不同网段内的机器不能直接使用互相的私有IP进行通信。IPv6目前尚未普及。

⑤  路由控制

路由的重要概念是路由表，这个表有两种方式生成，一个是管理员配置的，一个是路由器彼此之间交互生成的。前者叫做静态路由，后者叫做动态路由。

IP协议适中认为路由表是正确的，而IP协议并没有定义生成路由表的协议。该表是由一个称为路由协议的协议生成的。

路由控制表，记录的是网络地址，和下一步发送路由的地址。发送IP包时：

1.   确定IP包首部的目标地址

2.   找到路由控制表中的记录，该记录与目标地址的网络地址相同

3.   转发数据包

如果出现了多个对应的情况，则选择最长匹配。例如，172.20.100.52的网络地址与172.20/16和172.20.100/24都对应的情况下，选择后者作为匹配。

默认路由一般标记为0.0.0.0/32，主要作用是任何一个网络地址都可与其匹配。防止出现路由表要记录所有网络和子网信息。

主机路由是全部为网络地址的情况，例如192.168.153.15/32，即整个IP地址都参与路由，它主要被用于不希望通过网络地址进行路由的情况。但是缺点很明显，很容易导致路由表的膨胀，引起网络负荷增加。

环回地址是一台计算机上程序互相通信的一个默认地址，其采用特殊IP：127.0.0.1，称作local host，使用这个IP时，数据包不会流向到网络

路由表的聚合是指路由表中记录了如192.168.2.0/24和192.168.3.0/24这类的网络地址，那么路由器会将这两条记录合并成为：192.168.2.0/23的记录，来缩减路由表，提高转发效率。并且对路由器管理的设备进行公示。（即能互相通信的设备中，告诉他们，如果发现了192.168.2.0/23网段的包，就往我这里发送，我负责进行转发），如下所示：

⑥  IP数据的分割和再构

前面说过数据链路层重要区别就是MTU大小，而IP协议要做到能屏蔽这一点。因此主要问题是在数据的分割上面。路由器通常会对数据量较大的IP包进行分割，而随着数据链路的速率变快，这种分割所造成的性能消耗比较严重。为了使得数据传输时路由器尽可能的少分割数据，提出了一个路径MTU发现机制：

1.   IP协议对上层发下来的数据，依照自己机器所接的数据链路进行数据分割，然后发给路由器

2.   路由器收到数据以后如果超出路由器所接链路的MTU大小，那么则丢掉这个包，并通过ICMP发送一个目标不可到达消息。

3.   发送主机收到这个消息，重新组装一个测试包，一直测试到不在收到ICMP的错误消息为止，并记录下此时的MTU大小

4.   这个MTU大小约维持10分钟，10分钟内则按照这个MTU进行对上层的数据分割。