IP的知識 - leaf

一、對 IP 地址

基本的認識 IP 地址

在 TCP/IP 地址參考模型中處於第三層，也就是網絡層。

網絡層的主要作用是：實現主機與主機之間的通信，也叫點對點（end to end）通信。

網絡層與數據鏈路層有什麼關係呢？有的小夥伴分不清 IP 地址（網絡層）和 MAC （數據鏈路層）之間的區別和關係。

其實很容易區分，在上面我們知道 IP 地址的作用是主機之間通信用的，而 MAC 的作用則是實現「直連」的兩個設備之間通信，而 IP 地址則負責在「沒有直連」的兩個網絡之間進行通信傳輸。

舉個生活的栗子，小林要去一個很遠的地方旅行，制定了一個行程表，其間需先後乘坐飛機、地鐵、公交車才能抵達目的地，為此小林需要買飛機票，地鐵票等。

飛機票和地鐵票都是去往特定的地點的，每張票只可以在某一限定區間內移動，此處的「區間內」就如同通信網絡中數據鏈路。

在區間內移動相當於數據鏈路層，充當區間內兩個節點傳輸的功能，區間內的出發點好比源 MAC 地址，目標地點好比目的 MAC 地址。

整個旅遊行程表就相當於網絡層，充當遠程定位的功能，行程的開始好比源 IP 地址，行程的終點好比目的 IP 地址。

如果小林只有行程表而沒有車票，就無法搭乘交通工具到達目的地。相反，如果除了車票而沒有行程表，恐怕也很難到達目的地。因為小林不知道該坐什麼車，也不知道該在哪裡換乘。

因此，只有兩者兼備，既有某個區間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達目的地。與此類似，計算機網絡中也需要「數據鏈路層」和「網絡層」這個分層才能實現向最終目標地址的通信。

還有重要一點，旅行途中我們雖然不斷變化了交通工具，但是旅行行程的起始地址和目的地址始終都沒變。

其實，在網絡中數據包傳輸中也是如此，源 IP 地址和目標 IP 地址在傳輸過程中是無法變化的（前提：沒有使用 NAT 網絡），只有源 MAC 地址和目標 MAC 一直在變化。

二、IPv4 協議在 TCP/IP 地址網絡通信時，為了保證能正常通信，每個設備都需要配置正確的 IP 地址，否則無法實現正常的通信。

IPv4 地址由 32 位正整數來表示，IP 地址在計算機是以二進制的方式處理的。

而人類為了方便記憶採用了點分十進制的標記方式，也就是將 32 位 IP 地址以每 8 位為組，共分為 4 組，每組以「.」隔開，再將每組轉換成十進制

那麼，IP 地址最大值也就是

理論上，最大允許 43 億台計算機連接到網絡。實際上，IP 地址並不是根據主機台數來配置的。像伺服器、路由器等設備都是有 2 個以上的網卡，也就是它們會有 2 個以上的 IP 地址。

因此，讓 43 億台計算機全部連網其實是不可能的，更何況 IP 地址是由「網絡標識」和「主機標識」這兩個部分組成的，所以實際能夠連接到網絡的計算機個數更是少了很多。

可能有的小夥伴提出了疑問，現在不僅電腦配了 IP 地址，手機、平板等電子設備都配了 IP 地址呀，照理來說肯定會超過 43 億啦，那是怎麼能夠支持這麼多 IP 地址的呢？

因為會根據一種可以更換 IP 地址的技術 NAT，使得可連接計算機數超過 43 億台。 NAT 技術後續會進一步討論和說明。

IP 地址的分類互聯網誕生之初，IP 地址顯得很充裕，於是計算機科學家們設計了分類地址。

IP 地址分類成了 5 種類型，分別是 A 類、B 類、C 類、D 類、E 類。

上圖中黃色部分為分類號，用以區分 IP 地址類別。

什麼是 A、B、C 類地址？

其中對於 A、B、C 類主要分為兩個部分，分別是網絡號和主機號。這很好理解，好比小林是 A 小區 1 棟 101 號，你是 B 小區 1 棟 101 號。

我們可以用下面這個表格，就能很清楚的知道 A、B、C 分類對應的地址範圍、最大主機個數。

為什麼要減 2 呢？因為在 IP 地址中，有兩個 IP 地址是特殊的，分別是主機號全為 1 和全為 0 地址。

主機號全為 1 指定某個網絡下的所有主機，用於廣播主機號全為 0 指定某個網絡因此，在分配過程中，應該去掉這兩種情況。

廣播地址有什麼用？

廣播地址用於在同一個鏈路中相互連接的主機之間發送數據包。

學校班級中就有廣播的例子，在準備上課的時候，通常班長會喊：“上課，全體起立！”，班裡的同學聽到這句話是不是全部都站起來了？這個句話就有廣播的含義。

當主機號全為 1 時，就表示該網絡的廣播地址。例如把 172.20.0.0/16 用二進制表示如下：

  10101100.00010100.00000000.00000000

將這個地址的主機部分全部改為 1，則形成廣播地址：

 10101100.00010100.11111111.11111111

再將這個地址用十進制表示，則為 172.20.255.255。

廣播地址可以分為本地廣播和直接廣播兩種。

在本網絡內廣播的叫做本地廣播。例如網絡地址為 192.168.0.0/24 的情況下，廣播地址是 192.168.0.255 。因為這個廣播地址的包會被路由器屏蔽，所以不會到達 192.168.0.0/24 以外的其他鏈路上。在不同網絡之間的廣播叫做直接廣播。例如網絡地址為 192.168.0.0/24 的主機向 192.168.1.255/24 的目標地址發送包。收到這個包的路由器，將數據轉發給 192.168.1.0/24，從而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主機都能收到這個包。（由於直接廣播有一定的安全問題，多數情況下會在路由器上設置為不轉發）

什麼是 D、E 類地址？

D 類和 E 類地址是沒有主機號的，不可用於主機 IP 地址。D 類常被用於多播，E 類是預留的分類，暫時未使用

多播地址用於什麼？

多播用於將包發送給特定組內的所有主機。

還是舉班級的栗子，老師說：“最後一排的同學，上來做這道數學題。”，老師指定的是最後一排的同學，也就是多播的含義了。

由於廣播無法穿透路由，若想給其他網段發送同樣的包，就可以使用可以穿透路由的多播

多播使用的 D 類地址，其前四位是 1110 就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的組編號。

從 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用範圍，其劃分為以下三類：

224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 為預留的組播地址，只能在局域網中，路由器是無法進行轉發的。 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 為用戶可用的組播地址，可以用於 Internet 上。 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 為本地管理組播地址，可供內部網在內部使用，僅在特定的本地範圍內有效。 IP 地址分類的優點

不管是路由器還是主機解析到一個 IP 地址時，我們判斷其 IP 地址的首位是否為 0，為 0 則為 A 類地址，那麼就能很快的找出網絡地址和主機地址。

其餘分類判斷方式參考如下圖：

所以，這種分類地址的優點就是簡單明瞭、選路（基於網絡地址）簡單。

IP 地址分類的缺點

缺點一同一網絡下沒有地址層次，比如一個公司裡用了 B 類地址，但是可能需要根據生產環境、測試環境、開發環境來劃分地址層次，而這種 IP 地址分類是沒有地址層次劃分的功能，所以這就缺少地址的靈活性。

缺點二 A、B、C 類有個尷尬處境，就是不能很好的與現實網絡匹配。

C 類地址能包含的最大主機數量實在太少了，只有 254 個，估計一個網吧都不夠用。

而 B 類地址能包含的最大主機數量又太多了，6 萬多台機器放在一個網絡下面，一般的企業基本達不到這個規模，閒著的地址就是浪費。

這兩個缺點，都可以在 CIDR (無類別域間路由) 解決。

無類別域間路由 (CIDR) 正因為 IP 地址分類存在許多缺點，所以後面提出了無分類地址的方案，即 CIDR。

這種方式不再有分類地址的概念，32 比特的 IP 地址被劃分為兩部分，前面是網絡號，後面是主機號。

怎麼劃分網絡號和主機號的呢？

表示形式 a.b.c.d/x，其中 /x 表示前 x 位屬於網絡號， x 的範圍是 0 ~ 32，這就使得 IP 地址更加具有靈活性。

比如 10.100.122.2/24，這種地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是網絡號，剩余的 8 位是主機號

還有另一種劃分網絡號與主機號形式，那就是子網掩碼，掩碼的意思就是掩蓋掉主機號，剩余的就是網絡號。將子網掩碼和 IP 地址按位計算 AND，就可得到網絡號。

為什麼要分離網絡號和主機號？

因為兩台計算機要通訊，首先要判斷是否處於同一個廣播域內，即網絡地址是否相同。如果網絡地址相同，表明接受方在本網絡上，那麼可以把數據包直接發送到目標主機。

路由器尋址工作中，也就是通過這樣的方式來找到對應的網絡號的，進而把數據包轉發給對應的網絡內

怎麼進行子網劃分？

在上面我們知道可以通過子網掩碼劃分出網絡號和主機號，那實際上子網掩碼還有一個作用，那就是劃分子網。

子網劃分實際上是將主機地址分為兩部分：子網網絡地址和子網主機地址。形式如下：

未做子網劃分的 IP 地址：網絡地址＋主機地址做子網劃分後的 IP 地址：網絡地址＋（子網網絡地址＋子網主機地址）假設對 C 類地址進行子網劃分，網絡地址 192.168.1.0，使用子網掩碼 255.255.255.192 對其進行子網劃分。 C 類地址中前 24 位是網絡號，最後 8 位是主機號，根據子網掩碼可知從 8 位主機號中借用 2 位作為子網號。

於子網網絡地址被劃分成 2 位，那麼子網地址就有 4 個，分別是 00、01、10、11，具體劃分如下圖：

劃分後的 4 個子網如下表格：

公有 IP 地址與私有 IP 地址在 A、B、C 分類地址，實際上有分公有 IP 地址和私有 IP 地址

平時我們辦公室、家裡、學校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因為這些地址允許組織內部的 IT 人員自己管理、自己分配，而且可以重複。因此，你學校的某個私有 IP 地址和我學校的可以是相同的。

就像每個小區都有自己的樓編號和門牌號，你小區家可以叫 1 棟 101 號，我小區家也可以叫 1 棟 101，沒有任何問題。但一旦出了小區，就需要帶上中山路 666 號（公網 IP 地址），是國家統一分配的，不能兩個小區都叫中山路 666。

所以，公有 IP 地址是由個組織統一分配的，假設你要開一個博客網站，那麼你就需要去申請購買一個公有 IP 地址，這樣全世界的人才能訪問。並且公有 IP 地址基本上要在整個互聯網範圍內保持唯一

公有 IP 地址由誰管理呢？

私有 IP 地址通常是內部的 IT 人員管理，公有 IP 地址是由 ICANN 組織管理，中文叫「互聯網名稱與數字地址分配機構」。

IANA 是 ICANN 的其中一個機構，它負責分配互聯網 IP 地址，是按洲的方式層層分配。

ARIN 北美地區 LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比群島 RIP 地址 E NCC 歐洲、中東和中亞 AFRINIC 非洲地區 APNIC 亞太地區其中，在中國是由 CNNIC 的機構進行管理，它是中國國內唯一指定的全局 IP 地址管理的組織。 IP 地址與路由控制 IP 地址的網絡地址這一部分用於進行路由控制。

路由控制表中記錄著網絡地址與下一步應該發送至路由器的地址。在主機和路由器上都會有各自的路由器控制表。

在發送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網絡地址的記錄，根據該記錄將 IP 包轉發給相應的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網絡地址的記錄，就選擇相同位數最多的網絡地址，也就是最長匹配。

下面以下圖的網絡鏈路作為例子說明：

主機 A 要發送一個 IP 包，其源地址是 10.1.1.30 和目標地址是 10.1.2.10，由於沒有在主機 A 的路由表找到與目標地址 10.1.2.10 相同的網絡地址，於是包被轉發到默認路由（路由器 1 ）路由器 1 收到 IP 包後，也在路由器 1 的路由表匹配與目標地址相同的網絡地址記錄，發現匹配到了，於是就把 IP 數據包轉發到了 10.1.0.2 這台路由器 2 路由器 2 收到後，同樣對比自身的路由表，發現匹配到了，於是把 IP 包從路由器 2 的 10.1.2.1 這個接口出去，最終經過交換機把 IP 數據包轉發到了目標主機本機使用一個特殊的 IP 地址 127.0.0.1，稱為環回地址。與該地址具有相同意義的是一個叫做 localhost 的主機名。使用這個 IP 或主機名時，數據包不會流向網絡。

IP 的分片與重組每種數據鏈路的最大傳輸單元（MTU）都是不相同的，如 FDDI 數據鏈路 MTU 為 4352、以太網的 MTU 是 1500 字節等。

每種數據鏈路的 MTU 之所以不同，是因為每個不同類型的數據鏈路的使用目的不同。使用目的不同，可承載的 MTU 也就不同。

其中，我們最常見數據鏈路是以太網，它的 MTU 是 1500 字節。

那麼當 IP 數據包大小大於 MTU 時， IP 數據包就會被分片。

經過分片之後的 IP 數據包在被重組的時候，只能由目標主機進行，路由器是無法進行重組的。

假設發送方發送一個 4000 字節的大數據包，若要傳輸在以太網鏈路，則需要把數據包分片成 3 個小數據包進行傳輸，再交由接收方重組成大數據包

分片傳輸中，一旦某個分片丟失，則會造成整個 IP 數據報作廢，所以 TCP 引入了最大分段大小（ MSS）也就是在 TCP 層進行分片不由 IP 層分片，所以對於 UDP 我們盡量不要發送一個大於 MTU 的數據報文。

IPv6 地址最後再來談談 IPv6.

IPv4 的地址是 32 位的，大約可以提供 42 億個地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已經被分配完了。

但是 IPv6 的地址是 128 位的，這可分配的地址數量是大的驚人，据說 IPv6 可以保證地球上的每粒沙子都能被分配到一個 IP 地址。

但 IPv6 除了有更多的地址之外，還有更好的安全性和擴展性，說簡單點就是 IPv6 相比於 IPv4 能帶來更好的網絡體驗。

但是因為 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我們電腦、手機之類的設備支持，還需要網絡運營商對現有的設備進行升級，所以這可能是 IPv6 普及率比較慢的一個原因。

IPv6 的亮點 IPv6 不僅僅只是可分配的地址變多了，它還有非常多的亮點。

IPv6 可自動配置，即使沒有 DHCP 伺服器也可以實現自動分配 IP 地址，真是便捷到即插即用啊。 IPv6 包頭包首部長度採用固定的值 40 字節，去掉了包頭校驗和，簡化了首部結構，減輕了路由器負荷，大大提高了傳輸的性能。 IPv6 有應對偽造 IP 地址的網絡安全功能以及防止線路竊聽的功能，大大提升了安全性。 ... IPv6 地址的標識方法 IPv4 地址長度共 32 位，是以每 8 位作為一組，並用點分十進制的表示方式。

IPv6 地址長度是 128 位，是以每 16 位作為一組，每組用冒號「:」隔開。