计算机网络——IP

1、IP 基本认识

IP 在 TCP/IP 参考模型中处于第三层，也就是网络层。
网络层的主要作用是：实现主机与主机之间的通信，也叫点对点（end to end）通信。

1.1、网络层与数据链路层有什么关系呢？

有的小伙伴分不清 IP（网络层） 和 MAC （数据链路层）之间的区别和关系。

其实很容易区分，在上面我们知道 IP 的作用是主机之间通信中的，而 MAC 的作用则是实现「直连」的两个设备之间通信，而 IP 则负责在「没有直连」的两个网络之间进行通信传输。
举个生活的栗子，小林要去一个很远的地方旅行，制定了一个行程表，其间需先后乘坐飞机、地铁、公交车才能抵达目的地，为此小林需要买飞机票，地铁票等。

飞机票和地铁票都是去往特定的地点的，每张票只能够在某一限定区间内移动，此处的「区间内」就如同通信网络中数据链路。

在区间内移动相当于数据链路层，充当区间内两个节点传输的功能，区间内的出发点好比源 MAC 地址，目标地点好比目的 MAC 地址。

整个旅游行程表就相当于网络层，充当远程定位的功能，行程的开始好比源 IP，行程的终点好比目的 IP 地址。

如果小林只有行程表而没有车票，就无法搭乘交通工具到达目的地。相反，如果除了车票而没有行程表，恐怕也很难到达目的地。因为小林不知道该坐什么车，也不知道该在哪里换乘。

因此，只有两者兼备，既有某个区间的车票又有整个旅行的行程表，才能保证到达目的地。与此类似，计算机网络中也需要「数据链路层」和「网络层」这个分层才能实现向最终目标地址的通信。

还有重要一点，旅行途中我们虽然不断变化了交通工具，但是旅行行程的起始地址和目的地址始终都没变。其实，在网络中数据包传输中也是如此，源IP地址和目标IP地址在传输过程中是不会变化的，只有源 MAC 地址和目标 MAC 一直在变化。

2、IP 地址的基础知识

在 TCP/IP 网络通信时，为了保证能正常通信，每个设备都需要配置正确的 IP 地址，否则无法实现正常的通信。
IP 地址（IPv4 地址）由 32 位正整数来表示，IP 地址在计算机是以二进制的方式处理的。

而人类为了方便记忆采用了点分十进制的标记方式，也就是将 32 位 IP 地址以每 8 位为组，共分为 4 组，每组以「.」隔开，再将每组转换成十进制。

那么，IP 地址最大值也就是

也就说，最大允许 43 亿台计算机连接到网络。

实际上，IP 地址并不是根据主机台数来配置的，而是以网卡。像服务器、路由器等设备都是有 2 个以上的网卡，也就是它们会有 2 个以上的 IP 地址。

因此，让 43 亿台计算机全部连网其实是不可能的，更何况 IP 地址是由「网络标识」和「主机标识」这两个部分组成的，所以实际能够连接到网络的计算机个数更是少了很多。
可能有的小伙伴提出了疑问，现在不仅电脑配了 IP， 手机、IPad 等电子设备都配了 IP 呀，照理来说肯定会超过 43 亿啦，那是怎么能够支持这么多 IP 的呢？
因为会根据一种可以更换 IP 地址的技术 NAT，使得可连接计算机数超过 43 亿台。NAT 技术后续会进一步讨论和说明。

2.1、IP 地址的分类

互联网诞生之初，IP 地址显得很充裕，于是计算机科学家们设计了分类地址。
IP 地址分类成了 5 种类型，分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。

2.1.1、什么是 A、B、C 类地址？

其中对于 A、B、C 类主要分为两个部分，分别是网络号和主机号。这很好理解，好比小林是 A 小区 1 栋 101 号，你是 B 小区 1 栋 101 号。

我们可以用下面这个表格， 就能很清楚的知道 A、B、C 分类对应的地址范围、最大主机个数。

2.1.2、A、B、C 分类地址最大主机个数是如何计算的呢？

最大主机个数，就是要看主机号的位数，如 C 类地址的主机号占 8 位，那么 C 类地址的最大主机个数：

2.1.3、为什么要减 2 呢？

因为在 IP 地址中，有两个 IP 是特殊的，分别是主机号全为 1 和 全为 0 地址。

• 主机号全为 1 指定某个网络下的所有主机，用于广播
• 主机号全为 0 指定某个网络

2.1.4、什么是 D、E 类地址？

而 D 类和 E 类地址是没有主机号的，所以不可用于主机 IP，D 类常被用于多播，E 类是预留的分类，暂时未使用。

2.2、IP 分类的优点

不管是路由器还是主机解析到一个 IP 地址时候，我们判断其 IP 地址的首位是否为 0，为 0 则为 A 类地址，那么就能很快的找出网络地址和主机地址。

其余分类判断方式参考如下图：

所以，这种分类地址的优点就是简单明了、选路（基于网络地址）简单。

2.3、IP 分类的缺点

• 缺点一
  • 同一网络下没有地址层次，比如一个公司里用了 B 类地址，但是可能需要根据生产环境、测试环境、开发环境来划分地址层次，而这种 IP 分类是没有地址层次划分的功能，所以这就缺少地址的灵活性。
• 缺点二
  • A、B、C类有个尴尬处境，就是不能很好的与现实网络匹配。
    • C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个，估计一个网吧都不够用。
    • 而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了，6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

这两个缺点，都可以在 CIDR 无分类地址解决。

2.4、无分类地址 CIDR

正因为 IP 分类存在许多缺点，所有后面提出了无分类地址的方案，即 CIDR。
这种方式不再有分类地址的概念，32 比特的 IP 地址被划分为两部分，前面是网络号，后面是主机号。

2.4.1、怎么划分网络号和主机号的呢？

表示形式 a.b.c.d/x，其中 /x 表示前 x 位属于网络号， x 的范围是 0 ~ 32，这就使得 IP 地址更加具有灵活性。
比如 10.100.122.2/24，这种地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是网络号，剩余的 8 位是主机号。

还有另一种划分网络号与主机号形式，那就是子网掩码，掩码的意思就是掩盖掉主机号，剩余的就是网络号。
将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

2.4.2、为什么要分离网络号和主机号？

因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。如果网络地址相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机，
路由器寻址工作中，也就是通过这样的方式来找到对应的网络号的，进而把数据包转发给对应的网络内。

2.5、公有 IP 地址与私有 IP 地址

在 A、B、C 分类地址，实际上有分公有 IP 地址和 私有 IP 地址。

平时我们办公室、家里、学校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因为这些地址允许组织内部的 IT 人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，你学校的某个私有 IP 地址和我学校的可以是一样的。

就像每个小区都有自己的楼编号和门牌号，你小区家可以叫 1 栋 101 号，我小区家也可以叫 1 栋 101，没有任何问题。但一旦出了小区，就需要带上中山路 666 号（公网 IP 地址），是国家统一分配的，不能两个小区都叫中山路 666。

所以，公有 IP 地址是有个组织统一分配的，假设你要开一个博客网站，那么你就需要去申请购买一个公有 IP，这样全世界的人才能访问。并且公有 IP 地址基本上要在整个互联网范围内保持唯一。

2.5.1、公有 IP 地址由谁管理呢？

私有 IP 地址通常是内部的 IT 人员值管理，公有 IP 地址是由 ICANN 组织管理，中文叫「互联网名称与数字地址分配机构」。

IANA 是 ICANN 的其中一个机构，它负责分配互联网 IP 地址，是按州的方式层层分配。

• ARIN 北美地区
• LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比群岛
• RIPE NCC 欧洲、中东和中亚
• AfriNIC 非洲地区
• APNIC 亚太地区

其中，在中国是由 CNNIC 的机构进行管理，它是中国国内唯一指定的全局 IP 地址管理的组织。

2.6、IP 地址与路由控制

IP地址的网络地址这一部分是用于进行路由控制。
路由控制表中记录着网络地址与下一步应该发送至路由器的地址，在主机和路由器上都会有各自的路由器控制表。
在发送 IP 包时，首先要确定 IP 包首部中的目标地址，再从路由控制表中找到与该地址具有相同网络地址的记录，根据该记录将 IP 包转发给相应的下一个路由器。如果路由控制表中存在多条相同网络地址的记录，就选择相同位数最多的网络地址，也就是最长匹配。
下面以下图的网络链路作为例子说明：

1. 主机 A 要发送一个 IP 包，其源地址是 10.1.1.30 和目标地址是 10.1.2.10，由于没有在主机 A 的路由表找到与目标地址 10.1.2.10 的网络地址，于是把包被转发到默认路由（路由器 1 ）
2. 路由器 1 收到 IP 包后，也在路由器 1 的路由表匹配与目标地址相同的网络地址记录，发现匹配到了，于是就把 IP 数据包转发到了 10.1.0.2 这台路由器 2
3. 路由器 2 收到后，同样对比自身的路由表，发现匹配到了，于是把 IP 包从路由器 2 的 10.1.2.1 这个接口出去，最终经过交换机把 IP 数据包转发到了目标主机

2.7、IP 分片与重组

每种数据链路的最大传输单元 MTU 都是不相同的，如 FDDI 数据链路 MTU 4352、以太网的 MTU 是 1500 字节等。

每种数据链路的 MTU 之所以不同，是因为每个不同类型的数据链路的使用目的不同。使用目的不同，可承载的 MTU 也就不同。

其中，我们最常见数据链路是以太网，它的 MTU 是 1500 字节。

那么当 IP 数据包大小大于 MTU 时， IP 数据包就会被分片。

经过分片之后的 IP 数据报在被重组的时候，只能由目标主机进行，路由器是不会进行重组的。
假设发送方发送一个 4000 字节的大数据报，若要传输在以太网链路，则需要把数据报分片成 3 个小数据报进行传输，再交由接收方重组成大数据报。

在分片传输中，一旦某个分片丢失，则会造成整个 IP 数据报作废，所以 TCP 引入了 MSS 也就是在 TCP 层进行分片不由 IP 层分片，那么对于 UDP 我们尽量不要发送一个大于 MTU 的数据报文。

2.8、IPv6 基本认识

IPv4 的地址是 32 位的，大约可以提供 42 亿个地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已经被分配完了。

但是 IPv6 的地址是 128 位的，这可分配的地址数量是大的惊人，说个段子 IPv6 可以保证地球上的每粒沙子都能被分配到一个 IP 地址。

但 IPv6 除了有更多的地址之外，还有更好的安全性和扩展性，说简单点就是 IPv6 相比于 IPv4 能带来更好的网络体验。

但是因为 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我们电脑、手机之类的设备支持，还需要网络运营商对现有的设备进行升级，所以这可能是 IPv6 普及率比较慢的一个原因。

3、IP 协议相关技术

跟 IP 协议相关的技术也不少，接下来说说与 IP 协议相关的重要且常见的技术。

• DNS 域名解析
• ARP 协议
• DHCP 动态获取 IP 地址
• NAT 网络地址转换

3.1、DNS

我们在上网的时候，通常使用的方式域名，而不是 IP 地址，因为域名方便人类记忆。
那么实现这一技术的就是 DNS 域名解析，DNS 可以将域名网址自动转换为具体的 IP 地址。

3.1.1、域名的层级关系

DNS 中的域名都是用句点来分隔的，比如 www.server.com，这里的句点代表了不同层次之间的界限。
在域名中，越靠右的位置表示其层级越高。
毕竟域名是外国人发明，所以思维和中国人相反，比如说一个城市地点的时候，外国喜欢从小到大的方式顺序说起（如 XX 街道 XX 区 XX 市 XX 省），而中国则喜欢从大到小的顺序（如 XX 省 XX 市 XX 区 XX 街道）。
根域是在最顶层，它的下一层就是 com 顶级域，再下面是 server.com。
所以域名的层级关系类似一个树状结构：

• 根 DNS 服务器
• 顶级域 DNS 服务器（com）
• 权威 DNS 服务器（server.com）
  

根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。这样一来，任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此，客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 DNS 服务器，然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器。

3.1.2、域名解析的工作流程

浏览器首先看一下自己的缓存里有没有，如果没有就向操作系统的缓存要，还没有就检查本机域名解析文件 hosts，如果还是没有，就会 DNS 服务器进行查询，查询的过程如下：

1. 客户端首先会发出一个 DNS 请求，问 www.server.com 的 IP 是啥，并发给本地 DNS 服务器（也就是客户端的 TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址）。
2. 本地域名服务器收到客户端的请求后，如果缓存里的表格能找到 www.server.com，则它直接返回 IP 地址。如果没有，本地 DNS 会去问它的根域名服务器：“老大， 能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？” 根域名服务器是最高层次的，它不直接用于域名解析，但能指明一条道路。
3. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后，发现后置是 .com，说：“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”，我给你 .com 顶级域名服务器地址给你，你去问问它吧。”
4. 本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后，发起请求问“老二， 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？”
5. 顶级域名服务器说：“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能问到”。
6. 本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器：“老三，www.server.com对应的IP是啥呀？” server.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
7. 权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
8. 本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。

至此，我们完成了 DNS 的解析过程。现在总结一下，整个过程我画成了一个图。

DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似，只指路不带路。

3.2、ARP

在传输一个 IP 数据报的时候，确定了源 IP 地址和目标 IP 地址后，就会通过主机「路由表」确定 IP 数据包下一跳。然而，网络层的下一层是数据链路层，所以我们还要知道「下一跳」的 MAC 地址。
由于主机的路由表中可以找到下一条的 IP 地址，所以可以通过 ARP 协议，求得下一跳的 MAC 地址。

3.2.1、那么 ARP 又是如何知道对方 MAC 地址的呢？

简单地说，ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应两种类型的包确定 MAC 地址的。

• 主机会通过广播发送 ARP 请求，这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址。
• 当同个链路中的所有设备收到 ARP 请求时，会去拆开 ARP 请求包里的内容，如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致，那么这个设备就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包返回给主机。

操作系统通常会把第一次通过 ARP 获取的 MAC 地址缓存起来，以便下次直接从缓存中找到对应 IP 地址的 MAC 地址。

3.3、DHCP

DHCP 在生活中我们是很常见的了，我们的电脑通常都是通过 DHCP 动态获取 IP 地址，大大省去了配 IP 信息繁琐的过程。

接下来，我们来看看我们的电脑是如何通过 4 个步骤的过程，获取到 IP 的。

先说明一点，DHCP 客户端进程监听的是 68 端口号，DHCP 服务端进程监听的是 67 端口号。
DHCP 交互的 4 个步骤：

• 客户端首先发起 DHCP 发现报文（DHCP DISCOVER） 的 IP 数据报，由于客户端没有 IP 地址，也不知道 DHCP 服务器的地址，所以使用的是 UDP 广播通信，其使用的广播目的地址是 255.255.255.255（端口 67） 并且使用 0.0.0.0（端口 68） 作为源 IP 地址。DHCP 客户端将该 IP 数据报传递给链路层，链路层然后将帧广播到所有的网络中设备。
• DHCP 服务器收到 DHCP 发现报文时，用 DHCP 提供报文（DHCP OFFER） 向客户端做出响应。该报文仍然使用 IP 广播地址 255.255.255.255，该报文信息携带服务器提供可租约的 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器以及 IP 地址租用期。
• 客户端收到一个或多个服务器的 DHCP 提供报文后，从中选择一个服务器，并向选中的服务器发送 DHCP 请求报文（DHCP REQUEST进行响应，回显配置的参数。
• 最后，服务端用 DHCP ACK 报文对 DHCP 请求报文进行响应，应答所要求的参数。

一旦客户端收到 DHCP ACK 后，交互便完成了，并且客户端能够在租用期内使用 DHCP 服务器分配的 IP 地址。

如果租约的 DHCP IP 地址快期后，客户端会向服务器发送 DHCP 请求报文：

• 服务器如果同意继续租用，则用 DHCP ACK 报文进行应答，客户端就会延长租期。
• 服务器如果不同意继续租用，则用 DHCP NACK 报文，客户端就要停止使用租约的 IP 地址。

可以发现，DHCP 交互中，全程都是使用 UDP 广播通信。

3.3.1、用的是广播，那如果 DHCP 服务器和客户端不是在同一个局域网内，路由器又不会转发广播包，那不是每个网络都要配一个 DHCP 服务器？

所以，为了解决这一问题，就出现了 DHCP 中继代理。
有了 DHCP 中继代理以后，对不同网段的 IP 地址分配也可以由一个 DHCP 服务器统一进行管理。

• DHCP 客户端会向 DHCP 中继代理发送 DHCP 请求包，而 DHCP 中继代理在收到这个广播包以后，再以单播的形式发给 DHCP 服务器。
• 服务器端收到该包以后再向 DHCP 中继代理返回应答，并由 DHCP 中继代理将此包转发给 DHCP 客户端 。

因此，DHCP 服务器即使不在同一个链路上也可以实现统一分配和管理IP地址。

3.4、NAT

IPv4 的地址是非常紧缺的，在前面我们也提到可以通过无分类地址来减缓 IPv4 地址耗尽的速度，但是互联网的用户增速是非常惊人的，所以 IPv4 地址依然有被耗尽的危险。
于是，提出了一个种网络地址转换 NAT 的方法，再次缓解了 IPv4 地址耗尽的问题。
简单的来说 NAT 就是在同个公司、家庭、教室内的主机对外部通信时，把私有 IP 地址转换成公有 IP 地址。

3.4.1、那不是 N 个 私有 IP 地址，你就要 N 个公有 IP 地址？这怎么就缓解了 IPv4 地址耗尽的问题？这不瞎扯吗？

确实是，普通的 NAT 转换没什么意义。
由于绝大多数的网络应用都是使用传输层协议 TCP 或 UDP 来传输数据的。
因此，可以把 IP 地址 + 端口号一起进行转换。
这样，就用一个全球 IP 地址就可以了，这种转换技术就叫网络地址与端口转换 NAPT。
很抽象？来，看下面的图解就能瞬间明白了。

图中有两个客户端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同时与服务器 183.232.231.172 进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是 1025。

此时，两个私有 IP 地址都转换 IP 地址为公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口号作为区分。

于是，生成一个 NAPT 路由器的转换表，就可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端 A、B 能同时与服务器之间进行通信。

这种转换表在 NAT 路由器上自动生成。例如，在 TCP 的情况下，建立 TCP 连接首次握手时的 SYN 包一经发出，就会生成这个表。而后又随着收到关闭连接时发出 FIN 包的确认应答从表中被删除。

3.4.2、NAT 那么牛逼，难道就没缺点了吗？

当然有缺陷，肯定没有十全十美的方案。
由于 NAT/NAPT 都依赖于自己的转换表，因此会有以下的问题：

• 外部无法主动与 NAT 内部服务器建立连接，因为 NAPT 转换表没有转换记录。
• 转换表的生产与转换操作都会产生性能开销。
• 通信过程中，如果 NAT 路由器重启了，所有的 TCP 连接都将被重置。