第4章 IP协议

1 、IP大致分为三大作用模块,他们是IP寻址、路由以及IP分包与组包。

  • 寻址:IP地址用于在“连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址”。在TCP/IP通信中所有主机或路由器必须设定自己的IP地址。
  • 路由控制:将分组数据发送到最终目标地址。IP路由也叫多跳路由。指的是路怄气或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机,而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作,直至包达到最终的目标地址。
  • 分片处理:IP将较大的IP包分成多个较小的IP包,分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层。

2、IP属于面向无连接型
理由:一是为了简化,二是为了提速。面向连接比起面向无连接处理相对复杂。甚至管理每个连接本身就是一个相当繁琐的事情。此外,每次通信之前都要事先建立连接,又会降低处理速度。

3、IP地址分类

  • A类:首位以0开头的地址。1-8位为网络标识,后24位为主机标识。0.0.0.0.~127.0.0.0,主机地址上限为2的24次方-2。
  • B类:前两位为“10”开头的地址。1-16为网络标识,后16位为主机标识。128.0.0.1~191.255.0.0,主机地址上限为2的16次方-2。
  • C类:前三位为“110”开头的地址。1-24为网络标识,后8位为主机标识。192.168.0.0~223.255.255.0,主机地址上限为2的8次方-2。
  • D类:前四位为“1110”开头的地址。全为网络标识,无主机标识,常用于广播。224.0.0.0~239.255.255.255。
    注:全部为0标识对应的网络地址或IP地址不可获知的情况下才使用,而全部为1的主机地址通常作为广播地址。

4、广播地址
分为两种。本地广播和直接广播。

  • 在本网络内的广播叫做本地广播。广播地址的IP包会被路由器屏蔽,不会到达其他链路。
  • 在不同网络之间的广播叫做直接广播。

5、IP多播
多播用于将包发送给特定组内的所有主机。因为广播无法穿透路由,若想要给其他网段发送同样的包,就不得不采取多播。
多播使用D类地址。利用IP多播实现通信,除了地址外还需要IGMP等协议的支持。
6、子网掩码
因为网络标识相同的计算机必须属于同一个链路,因此直接使用A类、B类、C类地址显得浪费。这时使用“子网掩码”的识别码通过子网网络地址细分出比A类、B类、C类等分类更小粒度的网络。子网掩码的表示很简单,网络标识部分的位全为“1”,主机标识的部分则为“0”。这样能够确保IP地址不再受限于自己的类别,而是可以用这样的子网掩码自由地定位自己的网络标识长度。有两种表示方式:一种是IP地址、网络地址、广播地址与各自子网掩码的表示方式。另一种则是在每个IP地址后面追加网络地址的位数用“/”隔开。
7、私有网络的IP地址
A类:10.0.0.0~10.255.255.255(10/8)
B类:172.16.0.0~172.31.255.255(172.16/12)
C类:192.168.0.0~192.168.255.255(192.168/16)
8、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。

  • 默认路由:默认路由是指路由表中任何一个地址都能与之匹配的记录。好处是如果一张路由表包含所有的网络及其子网的信息,默认路由可以避免了无端的浪费。一般标记为0.0.0.0/0或default。
  • 主机路由:标记为“IP地址/32”。整个IP地址的所有位都将参与路由。进行主机路由,意味着要基于主机上网卡上配置的IP地址本身,而不是基于该地址的网络地址部分进行路由。注意:使用主机路由会导致路由表膨大,路由负荷增加,进而造成网络性能下降。
  • 环回地址:在同一台计算机上的程序之间进行网络通信时所使用的一个默认地址。使用127.0.0.1和localhost。

9、路由控制表的聚合
为了更好地构建网络,通过路由信息的聚合可以有效地减少路由表的条目。能够缩小路由表的大小是它的最大的优势。
10、IP分割处理与再构成处理
分片一般由路由器进行,重组则由目标主机进行。但分片机制有它的不足:首先,路由器的处理负荷加重。其次,一旦某个分片丢失,则会造成整个IP数据报废。虽然可以使用过更小的分片,但结果造成了网络的利用率明显下降。因此产生了新的技术”路径MTU发现”。
11、路径MTU发现
概念:从发送端主机到接收端主机之间不需要分片时最大MTU的大小。在UDP和TCP是两种不同的处理情况。
UDP:首先,发送时IP首部的分片标志位设置为1(不分片),路由器丢包。然后由ICMP通知下一次MTU的大小。接着由于UDP没有重发处理。应用在发送下一次消息时会被分片。具体说,就是指UDP层传过来的“UDP首部+UDP数据”在IP层被分片。最后所有的分片到达目标主机后被重组,再传给UDP层。
TCP:首先,发送时IP首部的分片标志位设置为1(不分片),路由器丢包。然后由ICMP通知下一次MTU的大小。与UDP不同,TCP具有重发处理。因此根据TCP的重发处理,数据报会被重新发送。TCP负责将数据分层IP层不会再被分片的粒度以后传给IP层,IP不再做分片处理。最后不需要重组。数据被原样发送给接收端主机的TCP层。
16、IPv6
必要性:根本解决IPv4地址耗尽的问题而被标准化的网际协议。
特点:

  • IP地址的扩大与路由控制表的聚合
  • 性能提升
    包首部长度采用固定的值(40字节),不再采用首部验证码。简化首部结构,减轻路由器负荷。路由器不再做分片处理(通过路径MTU发现只由发送端主机进行分片处理)。
  • 支持即插即用功能
    即使没有DHCP服务器也可以实现自动分配IP地址。
  • 采用认证与加密功能
    应对伪造IP地址的网络安全功能以及防止线路窃听的功能(IPsec)。
  • 多播、Mobile IP成为扩展功能
    多播和Mobile IP被定义为IPv6的扩展功能。

标记方法:IPv6的地址长度为128位。以每16比特为一组,每组用冒号隔开标记,如果出现连续的0时,可以将这些0省略,并用两个冒号隔开,但只允许出现一次两个连续的冒号。如1080:0:0:0:8:800:200C:417A省略后1080::8:800:200C:417A。

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