计算机网络 --- 网络层IP地址

全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
IP地址：：= {<网络号><主机号>}

IP编址的历史阶段

1. 分类的IP地址
2. 子网的划分
3. 构成超网（无分类编址方法）

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

网络地址转换（NAT）

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

网络地址转换NAT（Network Address Translation）:

在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

A主机先把数据报传输到NAT，NAT会把A主机IP替换为NAT IP，然后把端口号（主机中每个进程端口号都是唯一的，但是不同主机的进程端口号可能相同，但是在NAT会对端口号进行转换，保证不同主机不同进程的端口号唯一）

子网划分与子网掩码

分类的IP地址的弱点：

• IP地址空间的利用率有时很低
• 两级IP地址不够灵活

子网划分

主机号不能全0全1

子网掩码

子网掩码就是网络号都是1，主机号都是0，子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址。

使用子网时分组转发

路由表：

• 目的网络地址
• 目的网络子网掩码
• 下一跳地址

路由器转发分组的算法：

1. 提取目的IP地址
2. 是否直接交付（把目的IP与每个子网掩码相与，看与子网是否相同）
3. 特定主机路由
4. 检测路由表中有无路径
5. 默认路由 0.0.0.0
6. 丢弃，报告转发分组出错

IP无分类编址CIDR

CIDR

无分类域间路由选择CIDR：

1.消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念，只有网络前缀和主机号

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。

2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”

比如128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址，那么该地址块最小地址和最大地址分别是？

首先把该CIDR地址写成二进制：

10000000 00001110 00100011 00000111

那么网络号就是10000000 00001110 0010

把主机号位数全部置为0也就是该地址块最小地址：

10000000 00001110 00100000 00000000 也就是128.14.32.0

把主机号位数全部置为1也就是该地址块最大地址：

10000000 00001110 00101111 11111111 也就是128.14.47.255

地址掩码（子网掩码）

以上例子的子网掩码也就是11111111 11111111 11110000 00000000

CIDR --- 构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或网络聚合

方法：

将网络前缀缩短

CIDR --- 最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

IPv6

以上所属的IP编址方式都是IPv4的编址方式，32位的IPv4地址空间已分配殆尽，所有就有CIDR和NAT技术，但是治标不治本。所以可以通过IPv6，从根本上解决地址耗尽问题。同时改进首部格式，实现快速处理/转发数据报，同时支持QoS（QoS --- Quality of Service，服务质量：指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。）

IPv6数据报格式

• 版本：指明了协议版本，总是6
• 优先级：区分数据报的类别和优先级
• 流标签：“流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签。
• 有效载荷长度：
• 下一个首部：标识下一个扩展首部或上层协议首部。每一个扩展首部都有下一个首部（类似链表），所以基本首部也会有下一个首部。
• 跳数限制：相当于IPv4的TTL。

IPv6和IPv4

区别：

• IPv6将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间。
• IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
• IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，大大提高了路由器的处理效率。
• IPv6支持即插即用（即自动配置），不需要DHCP协议。
• IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。
• IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
• ICMPv6：附加报文类型，比如“分组过大”
• IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
• IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
• IPv6取消了总长度字段，改用了有效载荷长度字段。
• IPv6取消了服务类型字段。

IPv6地址表示形式

一般形式

冒号十六进制记法，比如4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170

压缩形式

4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176 -> 4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代

FF05:0:0:0:0:0:0:B3 -> FF05::B3 （双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次）

IP基本地址类型

• 单播：一对一通信    可做源地址 + 目的地址
• 多播：一对多通信    可做目的地址
• 任播：一对多中的一个通信    可做目的地址

IPv6向IPv4过度的策略

双栈协议

双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。

隧道技术

通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载）可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其他协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。