第4章-IP基本原理

目录

1. IP协议概述

1.1. 定义

1.2. 功能

1.3. IP网络的结构

1.4. IP头格式

2. IP地址和地址映射

3. IP包转发

4. 其他相关协议介绍

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1. IP协议概述

1.1. 定义

        IP协议：IP协议是网际互连协议；

        工作层次：网络层；

        封装：IP头部封装；

        特点：不关心、不保证、不维护；不可靠的、无连接的；

        TCP/IP协议栈(协议堆叠)：ARP、RARP、ICMP、IGMP；

1.2. 功能

        1）标识节点和链路-[标记]：分配全局唯一的网络号；

        链路-网段；节点-主机；

        2）寻址和转发-[确定]：路径；

        3）适应各种数据链路-[传递]

        MTU(Maximum Transfer Unit,最大传输单元)：最大的IP报文，分片、重组；

        三层的地址到二层地址的映射

        例子：地图、学校找人

1.3. IP网络的结构

        "网段==范围"

        路由器直连PC机

        浪费资源，路由器每个接口都是不同的网段；

1.4. IP头格式

        1、长度

        20~60个字节不等；

        固定+可变；

        字节

        位(bit)：是计算机存储的最小单位，"0100-4位"；

        位数：计算机能一次处理数据的大小，32位、64位；Windows命令：dxdiag

        字节：计量单位，存储容量，1字节等于8位；例如，字母B；

        2、Versrion | IHL | Type of Service | Total Length

        Versrion：版本号，4或6；("ipconfig")；

        IHL：头部长度；

        Type of Service(Tos)：优先级，0~63，数字越大，优先级越高；

        场景：广域中的QoS用于流量控制、限制，发送先后顺序、传输率、带宽的大小；

        Total Length：总长度(IP头+数据)；

3、Identification | Flags | Fragment Offest

        Identification：标识符，标识分片来自哪一个数据包；

        Flags：标志位；(0是关闭，1是开启)

        1：保留；2：标识数据包是否禁止分片；3：标识数据包是否为最后一个分片；

        Fragment Offset(片偏移)：标识某个分片在整个数据包所处的位置或顺序；收发顺序的重组

        补充：

        数据包的分片：一个数据包切分成小数据包，进行分散、重组；传输层，网络层；

        MTU：最大传输单元；接口收发数据支持的单个包的最大长度；

        场景：以太网默认接口MTU1500B；PPPoE默认接口MTU1492B；

        为什么要有MTU？

        数据传输双方之间的协同同步

        4、Time to Live | Protocol | Header Checksum

        Time to Live(生存时间)：标识数据包还能再经过几个路由器就已经到达生命的尽头；备注：每经过一个路由器进行减1处理，避免产生环路。("ping")

        Protocol(标识上层协议)：封装与解封装，封装传输层头部，IP头部拆掉后是给谁？

        Header Checksum：头部校验和，数据包的差错检测；

        5、Source Address | Destination Address

        源地址、目的地址；

        6、Options | Padding

        Options：可选项；

        Padding(填充项)：是4字节的倍数，若不是4的倍数，填充0，达到4个字节的倍数；例如1197就不行

2. IP地址和地址映射

        1、背景引入

        IP地址==门牌号

        IP地址 → 全球唯一 → 专门的机构管理(互联网数字分配机构IANA)；

        资源紧缺：ip地址43亿 → 2001年耗尽 → 2022年285亿设备 → 2022年人口80亿；

2、IP地址的概述

        功能：IP寻址，数据包发送给谁？工作在网络层，逻辑地址；

        格式：32位长度，点分十进制(十进制取值范围:0~9)

        组成：网络位+主机位；

        "网络位长度和数字完全一致的地址属于同一网段"，例如192.168.1.1 和 192.168.1.2

3、IP地址分类

        A类：大型全国或国际性企业；例如国际物流公司DHL

        B类：大型中型企业，6~65万个主机共享；例如苹果公司

        C类：小型组织、家庭用户、学校；例如机房教室；

        D类：媒体平台；例如直播平台；

        E类：不公开，留给科研机构使用；

        目的：是划分不同的网络规模；

        二分法思维：网络位越长，主机位越短；

4、特殊的IP地址

        ① 127.X.X.X

        定义：本地环回地址，用于标识本机；

        作用：测试本机操作系统中的TCP/IP协议工作是否正常；

        场景：127.0.0.1/无网卡

        ② 主机位全为0的地址

        定义：是网络地址，用于标识网段；

        例如：

        192.168.1.0是网络地址；

        172.168.1.0不是网络地址；

        ③ 主机位全1的地址(二进制的1)

        定义：本网段广播地址，标识广播范围；

        单播(1对1)、组播(1对多)、多播(1对所有)

        ④ 全网广播：255.255.255.255

        全网广播地址，全部网段的所有人；

        ⑤ 通配地址：0.0.0.0

        通配地址，任意IP地址，条件匹配，可以代表任何一个地址；

        例子：斗地主的癞子；

5、公网和私网地址

        公网地址：可以在互联网上寻址的地址，全球唯一，需要运营商分配(ISP)，付费；

        私网地址：局域网内，本地随意使用，无法在互联网上寻址；

        自动私有地址：169.254.X.X；用于网段内部通信，无法出网段；

        补充说明：电脑网卡，IP地址模式设置自动获取，无DHCP服务器，自动寻址失败，产生169.254.X.X；

3. IP包转发

        1、ARP协议

        定义：地址解析协议，把IP地址解析为MAC地址；

        问题：IP数据包通过以太网发送时，链路层不能识别IP地址；

        网络层(32位IP地址)—链路层(48位MAC地址)

        工作机制

        ① 主机A广播请求发送ARP，询问主机B的IP对应的MAC地址；

        ② 主机B以单播响应回复A主机本机MAC地址；

        ③ A主机把B主机的IP地址和MAC地址的映射关系写入ARP缓存表；

        场景：arp -a

2、IP数据转发原理

        知识1：封装，完成3层封装后，进行第2层封装；

        知识2：网关(Geteway)：本网段出口的IP地址；

        知识3：路由器：连接不同网段；交换机：数据发送给PC机；

        工作机制：

        ① 检查本机IP和目的IP是否一致；

        ② 处理：

        如果目的IP和本机IP属于同一网段，会直接查询目的IP的Mac地址，进行封装；

        如果目的IP和本机IP不属于同一网段，会查询网关IP地址的Mac地址，由路由器将IP包转发给目的主机，进行封装；

        补充：

        不同网段之间，能直接用ARP请求吗？

        不能，广播不能过路由器，路由器会隔离广播域；

        如果路由器不隔离广播，电脑能上网，所有机器都能收到，广播风暴。

4. 其他相关协议介绍

        1、RARP协议

        逆向ARP：逆向地址解析协议；

        根据本机的MAC地址，查询本机的IP地址；

        场景：早期的网吧 → 无盘工作站

2、ICMP

        定义：互联网控制消息协议

        ping命令：测试网络连通性；

        tracert命令：路由跟踪；"tracert www.baidu.com"

        3、代理ARP

        定义：允许一个设备代理另一个设备响应 ARP 请求，常用于在不同的子网之间转发数据包

        场景：路由器转发数据包、负载均衡、网络安全；