IP地址、ARP协议、子网掩码、到底做了什么？

本文章内容包括：

• 网络层IP协议相关

  • IP协议
  • 子网划分
  • 简单路由过程

• 网络层其他协议

  • ARP与RARP
  • ICMP协议

• IP的路由算法

  • 路由的概述
  • 内部网关路由协议
  • 外部网关路由协议

1.网络层的作用

• 决定数据在网络的路径（网络路由）

  
  
  网络层概述

2. IP协议详解

2.1 虚拟互联网络

路径选择

A ——> B的路径可以有很多，我们把整个复杂的网络拓扑结构看成一个虚拟互联网络。

• IP协议使得网络层屏蔽底层细节，而专注网络层的数据转发
• IP协议【解决了虚拟网络中数据报传输路径的问题】

2.2 IP协议

• IP地址长度为32位，常用点分十进制来表示

  
  

IP头部的信息

IP首部

• 第一行：
  • 版本（4位）：IPv4或者IPv6
  • 首部长度（4位）：取值为0-15，代表IP首部长度为0-60个字节
  • 服务类型（8位）：TOS
  • 总长度（16位）：IP数据报的总长度（IP首部+IP数据）
• 第二行：
  • 16位标识、3位标志、13位片偏移
• 第三行：
  • TTL（8位）：TTL可以防止IP数据报在网络中无限转发。IP数据报每次进过一个设备，TTL减一，TTL等于0时丢弃该IP数据报。
  • 协议（8位）：表明IP数据携带的数据具体是什么协议（如：TCP、UDP）
  • 首部校验和（16位）：校验IP首部是否出错
• 第四行：
  • 源IP地址
• 第五行：
  • 目的IP地址

2.3 路由表

• 路由表：路由表和MAC地址表类似，都是以键值对的形式存在数据链路层和网络层中。
• 路由表中存的是目的IP地址和对应的下一条IP地址。
• 计算机和路由器中，都存有路由表。

路由表

2.4 IP协议的转发流程

• 仅从网络层的角度看待转发

  
  
  转发流程

• 从网络层和数据链路层看待路由转发

  
  
  第一步
  
  
  第二步
  
  
  第三步

• 数据【每一跳的MAC地址都在变化】

• IP数据报【每一跳的目的IP地址始终不变】

3. ARP协议

• ARP（Address Resolution Protocol）：地址解析协议
• 目的是将 【网络层IP32位地址】——>【数据链路层MAC48位地址】

• ARP缓存表用来存储IP地址和MAC地址映射关系

  
  
  ARP缓存表
• 如果没有缓存：ARP会广播一个数据报到除了发送以外的所有端口，并接受到来自其他端口的回应，并记录该地址。
• ARP缓存表中的记录并不是永久的，有一定期限

ARP数据格式

ARP数据格式

4. 子网划分

A、B、C类地址

• 特殊的主机号
  • 主机号全为0表示当前网络段
  • 主机号全为1表示广播地址

• 特殊的网络号

  
  
  特殊的网络号

A、B、C类地址的数量

4.1 子网掩码

• 子网掩码和IP地址一样都是32位，是由连续的1和连续的0组成的，用来快速判断某个IP地址属于哪个子网号。

  
  
  子网掩码

• 当一个C类网络需要划分成两个子网时，子网掩码就延伸到第25位，这样一个可分配254个IP地址的C类网络，就被划分成两个可分配127个IP地址的子网。

  
  
  子网掩码

4.2 无分类编址CIDR

CIDR

CIDR斜线记法

CIDR地址数

5 网络地址转换NAT技术

• 主要思想是利用端口号，进行内网和外网地址的转换。

• 转换过程在路由器完成。

  
  
  NAT

6 路由表的工作原理

路由表

• 下一跳地址怎么来的？
• 下一跳地址唯一的吗？
• 下一跳地址是最佳的吗？
• 路由器那么多，他们怎么协同工作？

6.1 RIP协议

• RIP协议把网络的条数（hop）作为DV算法的距离
• RIP协议【每隔30s】交换一次路由信息
• RIP协议认为【跳数>15】的路由为不可达路由

6.2 RIP协议过程

1. 路由器初始化路由信息（两个向量Di和Si）

2. 对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改（下一跳地址设为X，所有距离加1）
   i. 检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表中

   
   
   插入新的路由

ii. 检索本地路由，对于下一跳为X的，更新为修改后的信息

更新

iii. 检索本地路由，对比相同目的的距离，如果新信息的距离更小，则更新本地路由表

对比留距离更小的

3. 如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设为不可达（16跳）