IP编址

前言

网络层位于数据链路层与传输层之间。网络层中包含了许多协议，其中最为重要的协议就是IP协议。网络层提供了IP路由功能。理解IP路由除了要熟悉IP协议的工作机制之外，还必须理解IP编址以及如何合理地使用IP地址来设计网络。

数据链路层知识回顾

回顾一下链路层的知识，你会记得数据帧中有一个type的两个字节的数据，这就代表的网络层的协议类型，例如下图值为0X0800，所以网络协议就是ip协议

IP报文头部

如下图，各词汇理解:

Version：则是代表协议的版本号(ipv4还是ipv6),其中ipv4地址数是2^32也就是43亿左右

Header length:顾名思义，就是告诉我们这个数据包的ip包头的长度

DS field：这也是个标志，他是决定该数据包是否优先转发

Total length：决定ip包的总长度

TTL值:为防止环路出现，设置了ttl值，每经过一个三层(网络层)设备，该值减1,当跳数值超过指定TTL值时，就会标记为不可能达，路由就被down掉

Protocol:协议号,标明协议类型,例如:8代表tcp协议，17代表udp

Header checksum:头校验,检验数据包是否有错误

ip编址

需要了解的是，网络位是用来给路由器进行路由寻址使用的，而主机位则是区分该网段主机使用的，以及每个网段中主机位全0代表网络地址，是路由器用来寻址使用的，全1(即xxx.xxx.xxx.255)则是广播地址，是用来发送广播使用的，故这两个网段不能分配

这里还需要补充一下进制的知识

十进制转二进制技巧:
以172为例子

1. 172>128 2的7次方的位置为1，余下：172-128=44
2. 44>32 2的5的位置置为1，余下：44-32=12
3. 12>8 2的3次方的位置为1，余下：12-8=4
4. 4=2^2
5. 结果10101100

地址分类

注意:d类和e类地址都是保留不用的，但是e类中255.255.255.255是作为广播地址使用的

IP地址类型

• 私有地址范围 (注意私有地址是用来内网使用的，所有私网地址是不可以访问外网，之所以我们主机现在192网段可以访问外围，是因为在我们的路由器上做了nat转换)
  • 10.0.0.0~10.255.255.255
  • 172.16.0.0~172.31.255.255
  • 192.168.0.0~192.168.255.255
• 特殊地址
  • 127.0.0.0 ~ 127.255.255.255 //127保留环回地址 用来测试本地网络协议等是正常
  • 0.0.0.0 //当路由器中没有你需要的路由时，可通过0.0.0.0这条默认路由将数据转发出去，以及当你使用dhcp获取地址且你没有ip时，你的ip就是0.0.0.0
  • 255.255.255.255 没有目的性的广播地址

网络通信

如下图，若为系统网段可直接通信，但是若为不同网段，如a->d就需要路由

默认子网掩码

有类IP编址的缺陷

上述分类就是有类IP地址，它的缺陷就如下图，一个网段就几十台主机缺分配一个c类地址，造成没必要的浪费，对此我们就出现了一种优化方案:VLSM，可变长子网掩码。即将主机位借位的方式根据需要地址数量指定网段

以下图为例做出解决方案:

1. 30台主机网段:我们向上二进制取整32即2^5次方，所以我们只需要将192.168.1.0/24借3位即主机位保留5位(通俗来说就是主机位从低位起5个位留给你自己)，所以第6位取1，最终网段为192.168.1.32/27
2. 20台主机网段：向上二进制取整也是32，但是32已被30台主机网段分配过了，所以第6位取0，最终网段位192.168.1.0/27
3. 10台主机网段:同理，向上二进制取整：16即可2^4次方，所以低位起保留4位，所以网段位192.168.1.16/28

关于可变长子网掩码可能还会有另外一种题型

即通过给定的ip地址和对应子网掩码，让你求出网段、范围、广播地址

例题

已知ip地址位100.102.10.20/27，求出网段、地址范围、广播地址

先行知识 ：
要想快读解出这种题目，首先你需要硬背这些敏感数字
8位二进制数对应值:
10000000 128
11000000 192
11100000 224
11110000 248
11111000 252
11111100 254
11111111 255

解：
由题可知 27%8=3 所以可知该网段向主机位借了3位所以掩码位255.255.255.224
所以 256-224=32 32为有效子网大小
即以32为一个版块：
100.102.10.0
100.102.10.32
100.102.10.64如此类推
而本题目ip介于0到32之间所以我们向下取值
即网段为101.102.10.0/27
有效地址:100.102.10.1-100.102.10.30 //这里去掉全0全1地址（即0-31去掉0和31对应的二进制数）
广播地址:即下一个板块的网段的数值减1，即32- 1=31 ====>100.102.10.31

无类域间路由（CIDR）

无类域间路由和可变长子网掩码可能是初学者极容易混淆的概念，注意，无类域间路由时主机位向网络位借位常用与ip汇总，如下图。而可变长子网掩码则是网络位向主机位借位，进行合理充分ip划分

网关

网关的作用 ：
1、 转发数据包
2、处理主机对路由器的arp请求 ，当一个发来一个首次跨网段数据请求包，该数据包会发arp请求给指定路由器要求得到路由器mac地址，如果路由器处理不了，主机就无法封装网关mac地址，数据就无法发送出去

IP包分片

我们以例来了解这一概念，假设我们发送一个2500字节的数据，而路由器出口最多容纳1000字节，这时候，就需要进行IP包分片了，图中我们需要了解的字段就是identification、flags和fragment offset：

1. identification：代表哪个应用下的数据包

2. flag则是鉴别是否位第一个数据包，当flag置为0的时候代表该包分片的第一个数据包，置为1代表非首包

3. fragment offset：拼接数据包的依据，假设第一个包为偏移为0-999 即偏移量为0，第二个数据包为1000-1999，则偏移量为1000，如此类推，根据这个偏移量我们就可以有序的将数据包还原

总结

1. 子网掩码的作用是什么？

   区分网络位和主机位

2. IP报文头部中TTL字段的作用是什么？

   防环

3. 网关的作用是什么？
   转发数据包 响应arp请求