计算机网络(三):IP协议,ICMP协议,ARP地址解析协议,NAT地址转换,TTL

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一、IP协议

相比于TCP协议,IP 协议提供一种无连接/不可靠、尽力而为的数据包传输服务，其与TCP协议（传输控制协议）一起构成了TCP/IP 协议族的核心。IP 协议主要有以下几个作用：

• 寻址和路由：在IP 数据包中会携带源 IP 地址和目的 IP 地址来标识该数据包的源主机和目的主机。IP 数据报在传输过程中，每个中间节点（IP 网关、路由器）只根据网络地址进行转发，如果中间节点是路由器，则路由器会根据路由表选择合适的路径。IP 协议根据路由选择协议提供的路由信息对 IP 数据报进行转发，直至抵达目的主机。

• 分段与重组：IP 数据包在传输过程中可能会经过不同的网络，在不同的网络中数据包的最大长度限制是不同的，IP 协议通过给每个 IP 数据包分配一个标识符以及分段与组装的相关信息，使得数据包在不同的网络中能够传输，被分段后的 IP 数据报可以独立地在网络中进行转发，在到达目的主机后由目的主机完成重组工作，恢复出原来的 IP 数据包。

域名和IP的关系

整个互联网是一个单一抽象的网络。在大多数情况下,一个域名只对应一个IP地址，一个IP地址只对应一个域名。实际上根据需要，多个域名可以解析为同一个IP地址（网站运营商为了推广注册多个域名，一个域名也可能被解析为多个IP地址（负载均衡）。

IPV4地址不够要如何解决

• 使用IPV6: IPV6是IPV4的升级版本，其包含2的128次方个地址。
• NAT网络地址转换协议: 当局域网主机想要与公网进行通信时， NAT 方法可以将该主机 IP 地址转换成全球 IP 地址。该协议能够有效解决 IP 地址不足的问题。
• CIDR：无类别域间陆游。CIDR消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念，因而更加有效地分配IPV4的地址空间。
  1. A类地址:一个A类地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，地址范围从1.0.0.0到126.0.0.0，可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1亿多个主机。
  2. B类地址:一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节但是主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机。
  3. C类地址:一个C类IP地址由3个字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址最高位必须是“110”，范围从192.0.0.0到233.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。
  4. D类地址:D类IP地址第一个字节以“III0”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播，多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。
  5. E类地址:以“IIII0”开始，为将来使用保留。
• DHCP：动态主机配置协议。动态分配IP地址，只给接入网络的设备分配IP地址。因此同一个 MAC 地址的设备，每次接入互联网时，得到的IP地址不一定是相同的，该协议使得空闲的 IP 地址可以得到充分利用。

二、路由器的分组转发流程

首先介绍一下路由表的结构:
常规的路由表包括"目标地址"、“子网掩码”、“网关”、“接口”、“跃点数”。

• 目标地址（Network Destination）：数据包最终希望被送达的地址；
• 子网掩码（Netmask）：和地址实际的子网掩码并不一定相同，它的真正意义是用来表示"在匹配网络包目标地址时需要比对的比特数"。
• 网关（GateWay）：它表示目标地址对应的下一跳路由的IP地址，也就是说——把包发送到"网关"所对应的路由器，它知道下一步要把包发往哪里。当"网关"中的内容为空时，表示IP头中的IP地址就是要转发的目的地址，而不需要再转发到下一个路由器。
• 接口（Interface）：存储着一个IP地址，当匹配到该条路由时，就会使用该IP地址对应的接口将数据包发送到"网关"对应的IP地址。

路由器的分组转发流程如下：

1. 从IP数据报中提取出目的主机的IP地址，找到其所在网络。
2. 判断目的IP地址所在的网络是否和本地路由器直接相连，如果是则不需要经过其他路由器直接交付，否则执行第三步。
3. 检查路由表中是否有目的IP地址的特定主机陆游。如果有，则按照路由表传送到下一跳路由器中，否则执行第四步。
4. 逐条检查路由表，使用每一行的子网掩码和目的IP匹配。若找到匹配路由，则按照路由表转发到下一跳路由器，否则执行第五步。
5. 若路由表设置有默认路由，则按照默认路由转发到默认路由器中，否则执行第六步。
6. 无法找到合适的路由，向源主机报错。

三、路由器和交换机的区别

一句话总结: 交换机不是只能工作在数据链路层，也可工作在网络层，也即是三层交换机，和路由器的区别在于，交换机使用硬件工作，快，只能处理简单的路由转发，路由器用软件实现，较慢，能实现复杂网络路由。

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