IP协议与NAT/NAPT技术
文章目录
- IP协议
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- 一、什么是IP协议
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- 1、IPv4协议报文格式
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- 关于分片
- 2、IP地址
- 3、子网划分与CIDR
- 4、特殊的IP地址
- 5、公网IP和私网IP
- 6、IP地址的分配(DHCP)
- 二、NAT/NAPT技术
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- 1、接口与IP的关系
- 2、路由器的LAN口与WAN口
- 3、NAPT的基本工作原理
- 三、IPv4与IPv6
- 四、ICMP协议
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- 1、关于ping命令
- 2、关于traceroute命令
IP协议
一、什么是IP协议
IP协议，即Internet Protocol，是TCP/IP协议簇的网络层协议，提供无连接、不可靠、尽力而为的服务。
1、IPv4协议报文格式
- 4位版本：指定IP协议的版本，例如IPv4就是0100(4)。
- 4位首部长度：指定报文首部(即**20字节固定内容+选项)的长度，以四字节为单位，因此实际长度是该字段 * 4**得到的。
- 8位服务类型(TOS)：用于规定本数据报的处理方式，大多数情况下网络并未对TOS进行处理。
- 16位总长度：报文首部+数据的总长度。
- 16位标识：用来唯一地标识一个IP数据报。如果该报文被分片，那么每一片的标识id都是相同的。
- 3位标志：最高位保留，暂无用处；中间位为1表示该数据报禁止分片；最低位为1表示该报文是最后一个分片。
- 13位片偏移：分片相对于原始IP报文开始处的偏移量。以八字节为单位，实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。
- 8位生存时间(TTL,Time To Live)：表示该数据报还可以被路由器转发几次。每经过一个路由，TTL都会减一，如果减到0还没有到达，则数据报被丢弃。该字段主要用于防止路由器循环问题。
- 8位协议：表示携带的载荷用到的协议。TCP为0x06，UDP为0x11。
- 16位首部校验和：用来检验报文首部是否有损坏。
- 源IP与目的IP：发送端IP和接收端IP。
关于分片
数据传输的大小受到MTU(最大传输单元，Maximum Transmission Unit)的限制。因此，对于过大的数据包，需要进行分片处理，每个片都是一个IP数据报。
但是分片发送数据会导致数据丢包的几率更大。
2、IP地址
IP地址的基本格式为xxx.xxx.xxx.xxx，由四段组成，每个字段是一个字节，总共4字节，每个字节有8位，最大值是255。
IP地址由两大部分组成：网络号(前三个字节)和主机号(最后一个字节)，二者是主从关系。
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网络号：它标志主机（或路由器）所连接到的网络，网络地址表示其属于互联网的哪一个网络
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主机号：它标志该主机（或路由器）属于网络中的哪一台主机。
3、子网划分与CIDR
过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类：
一个IP的组成为：
<网络号>.<主机号>
然而实际上，大多数组织会申请B类IP，因为A类IP的主机数过多，大多数情况下不会存在一个子网下有这么多主机，C类IP主机数又太少，所以导致大量的IP被浪费了。
针对此情况，又提出了一个新的子网划分的方式：CIDR
CIDR，即无分类域间路由选择(Classless Inter-Domain Routing)。它完全摒弃了传统的IP分类方式，而使用子网掩码区分一个IP的网络号和主机号，使得网段划分更加灵活。
子网掩码是32位整数，由高位的n个连续1和低位的32-n个连续0组成。将子网掩码同IP地址按位与，得到的就是网络号，其余的就是主机号，比如说：
IP : 141.14.72.11 子网掩码 : 255.255.255.0
两者按位与得到141.14.72.0，这就是网络号，而11是主机号。
因此，新的IP表达方式为：<网络号>.<主机号>/<网络号的位数>，所谓网络号的位数就是子网掩码前缀1的数目。
利用这种方法，上述例子中的IP就是141.14.72.24/24。
4、特殊的IP地址
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将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网；
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将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包;
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127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常使用
127.0.0.1。
5、公网IP和私网IP
公网IP：由Inter NIC（因特网信息中心）负责，用来分配给向Inter NIC提出申请的组织机构。
公有IP**全球唯一，通过它可以直接访问因特网（能直接上网**)。
公网IP主要有A、B、C、D、E五类地址:
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A类:地址范围
1.0.0.0 ~ 127.255.255.255，主要分配给大量主机而局域网网络数量较少的大型网络； -
B类:地址范围
128.0.0.0 ~ 191.255.255.255，一般用于国际性大公司和机构； -
C类:地址范围
192.0.0.0 ~ 223.255.255.255，一般用于小公司、校园网、研究机构等； -
D类:地址范围
224.0.0.0 ~ 239.255.255.255，第一个字节以1110开头，用做广播地址； -
E类:地址范围240.0.0.0 ~ 255.255.255.255`，暂时保留。
私网IP：属于非注册地址，专门为组织机构内部组建局域网使用，不能直接上网。
私网IP主要有A、B、C三类：
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A类:地址范围
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255。1个A类网络地址，共约1677万个IP地址。 -
B类:地址范围
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255。16个B类网络地址，共约104万个IP地址。 -
C类:地址范围
192.168.0.0 ~ 191.168.255.255。256个C类网络地址，共约65536个IP地址
注：私网IP分别是公网IP中A、B、C三类地址中的一部分，只是被划分出来单独用作私网组建。
6、IP地址的分配(DHCP)
管理员可以通过手动的方式分配IP地址，也可以通过DHCP(动态主机配置协议)来完成。
通过配置，DHCP可以为想要入网的主机分配固定的IP地址，也可以分配临时的IP地址，每次网络连接时该地址可能是不同的。
除了地址分配，DHCP协议还会允许主机获得子网掩码、默认网关、DNS服务器等网络配置信息，使其能够顺利联网。
上述过程通过报文交互的方式完成。
二、NAT/NAPT技术
NAT，即网络地址转换(Network Address Translation)，运行在路由设备上，是一种把私网IP转换为公网IP的技术，用于解决IPv4地址不足的问题。
NAPT，即网络地址端口转换(Network Address Port Translation)，在NAT的基础上又加入了端口映射。
1、接口与IP的关系
一台主机通常只有一条物理链路链接到网络，主机与物理链路之间的边界称为接口。而对于路由器，至少需要一条链路接收数据、另一条链路发送数据，因此路由器有多个接口(至少两个)。
每台主机与路由器都能发送和接收IP数据报，因而IP要求每台主机和路由器接口都拥有自己独立的IP地址。因此，从技术上讲，一个IP地址与一个接口相关联，而不是与包含该接口的主机或路由器相关联。
2、路由器的LAN口与WAN口
WAN，即Wide Area Network，代表广域网，是路由器与运营商网线相连的接口，对应WAN口IP。
LAN，即Local Area Network，代表局域网，是计算机与路由器相连的接口，对应LAN口IP。
3、NAPT的基本工作原理
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当局域网内的某台主机想要访问公网上的某台服务器时，它会将数据报发送到路由器LAN口，数据报中包含源IP和TCP/UDP协议的源端口号、目的IP和TCP/UDP协议的目的端口号。
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NAPT路由器内部维护一张NAPT转换表。NAPT路由器收到数据报后，会为其生成没有出现在NAPT转换表中的新端口号替换源端口号，并用WAN口IP替换源IP，从而形成(新的IP,端口号)，将(新IP,端口号):(源IP,源端口号)的映射关系存储在表中。
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数据报的传输可能会经过N跳路由器，每一跳都会经历上述IP和端口号替换的过程。
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数据报到达服务器后，服务器会发送响应报文。报文每到达一个路由器，就通过查找NAPT转换表的方式找到源IP和源端口，直到到达目的主机。
注：NAT与NAPT的区别在于，NAT内部使用了不同的IP进行映射，而NAPT使用了一个WAN口IP和不同的端口号进行映射。
三、IPv4与IPv6
IPv4采用32位地址长度(4字节)，约有43亿地址.
IPv6地址为128位(16字节)，但通常写作8组，每组为四个十六进制数的形式。
例如：FE80:0000:0000:0000:AAAA:0000:00C2:0002
四、ICMP协议
ICMP协议，即控制报文协议(Internet Control Message Protocol)，是网络层协议之一，起到辅助IP协议的作用。
- ICMP的作用分为两类：错误通知和信息查询，可以用来确认IP包是否成功到达目标地址、通知在发送过程中IP包被丢弃的原因…
- ICMP的报文是放在IP数据报里的，因此，ICMP是IP的上层协议，但是工作在网络层，而非传输层。
- ICMP只能搭配IPv4使用，而IPv6需要使用ICMPv6
1、关于ping命令
ping命令基于ICMP协议，用来测试网络的连通性，其工作的基本过程为：
- ping命令会先发送一个ICMP Echo Request给对端;
- 对端接收到之后，返回一个ICMP Echo Reply。
基本使用格式：ping+主机名/IP地址，如：ping www.baidu.com
注：ping命令基于网络层协议，因此不存在端口一说。
2、关于traceroute命令
traceroute命令同样基于ICMP协议，用来检测发出数据包的主机到目标主机之间所经过的网关数量。
基本使用格式：traceroute+主机名/IP地址，如：traceroute www.baidu.com