网络原理3——IP详解及IP相关技术

一.IP基本知识

• IP在TCP/IP模型中处于第三层，网络层。网络层主要实现主机之间点对点（end to end)通信
• IP层与MAC层（数据链路层）之间的关系，链路指两个物理上直连的设备，而IP负责总体导航，期间IP源地址和目的地址不变，MAC地址一直都在改变。可以理解成每一跳归mac层管，总体路线归IP层管。

IP地址

IPv4地址由32位二进制数表示，表示成十进制每8位点断开。其中第一部分为分类号，固定。然后是网络号，代表当前主机处在哪个网络之中，最后剩下来的是主机号，代表该主机是当前网络中哪一台。
ip地址分类

最大主机数的计算：
用主机号（2的次方）-2.
这个2：
一个代表全0，全0代表网络号。
一个代表全1.全1代表广播。意思就是网络中全体会议。广播用于同一链路中互连主机之间共享信息，不得跨越路由器

要想跨越路由器怎么办？
D类地址多用于多/组播，用于将包发送给组内特定所有主机，多/组播可穿透路由器

CIDR无分类地址

正因为 IP 分类存在许多缺点，所以后⾯提出了⽆分类地址的⽅案，即 CIDR 。
表示形式 a.b.c.d/x ，其中 /x 表示前 x 位属于⽹络号， x 的范围是 0 ~ 32 ，这就使得 IP 地址更加具有灵活性。
⽐如 10.100.122.2/24，这种地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是⽹络号，剩余的 8 位是主机号。

子网掩码

有另⼀种划分⽹络号与主机号形式，那就是⼦⽹掩码，掩码的意思就是0掩盖掉主机号，剩余的就是⽹络号

子网掩码 & IP地址 =网络号 ，注意按位相与

路由器根据网络号进行转发。
子网掩码的另一个作用，进行子网划分。

子网划分

子网划分将主机号进一步拆分为 1.子网地址 2.子网主机地址

假设对C类地址： 192.168.1.0 进行划分。

子网掩码为：码 255.255.255.192 。即最后一个字节的前两位可用作子网号，由此00 01 10 11分为四个子网络

1. 00子网：网络地址192.168.1.0，第一个可用地址192.168.1.1 ,由第二个子网反推回来可知最后一个地址为63
2. 01子网：网络地址192.168.1.64，第一个可用地址为，192.168.1.65，由于主机地址6位每个子网64个地址。用64+64-1=127也可得到最后一个地址127.
3. 后同不赘述

划分后：

IP路由

路由表记录着网络地址与下一跳地址。在主机和路由器上都有路由表。
发送IP包的时候，首先确定IP包的目标网络地址，再在路由表中找最长匹配的相同网络地址（无匹配的就发送至默认路由），下一跳发送到该地址。

举例说明：

1. 主机要发送一个目的地址为10.1.2.10的包，查找主机自己的路由表，由于没有匹配的，默认路由发送至10.1.1.1.至路由器1.
2. 路由器1：收到包之后也进行搜索路由表，找到10.1.2.0/24的匹配。找到下一跳10.1.0.2.至路由器2.
3. 路由器2：收到包之后再次匹配，因为下一跳在自己身上的另一个接口，路由器2经由这个接口发送给网络中目标主机。

环地址127.0.0.1

默认一个特殊的IP127.0.0.1作为本地环回地址，代表本机。数据包不会流向网络，只在本机内流通。

IP分片？

数据链路的最大传输单元MTU是不同的，常见的以太网的MTU为1500字节。如4000字节的数据包要分成3个片。
所以当数据包大于这个大小的时候就要分片。
但因为IP不保证可靠性，一旦某个数据丢失整个IP数据包都作废，所以在TCP引入MSS在传输层TCP来分片，不由IP来分片
对于UDP协议，我们尽量不要发送一个大于MTU的数据报即可。

二.IP相关技术

DNS域名解析（应用层）

上网通常使用网址和域名，而不是IP地址。
DNS域名解析，可以将域名网址自动转换成具体的IP地址

DNS域名等级从高到低：
根域名服务器
顶级域名服务器(比如：com
权威域名服务器（xxx.com
域名解析过程：
常见的由迭代查询和递归查询两种。

1. 主机/客户端向本地DNS服务器查询，一般是递归查询（所谓递归，就是本地服务器代替主机继续查询）
2. 本地DNS服务器向根域名服务器查询一半采用迭代查询（迭代像问路，每次只给你指路而不带你去，意思是说每次本地DNS都要自己去问然后自己去找）

按下图示例：
图下解释

在dns之前：
客户端先检查自己的浏览器缓存有没有，没有看操作系统缓存有没有，再没有看本机dns解析文件hosts有没有。三个都没有发起DNS请求：

1. 客户端发起一个DNS请求，问本地DNS服务器：xx网址的IP是啥。
2. 本地DNS服务器先自查，查到了就告诉他； 如果没有先问最大的大哥“根”DNS服务器。
3. 根DNS作为大领导，听到这个问题，笑了一笑，给本地DNS说去找对应的顶级DNS服务器，他的地址是xxx，去吧。
4. 然后本地DNS拿到顶级DNS地址之后就去问，二哥。
5. 顶级DNS作为小领导，听到也笑了，我给你负责这个事儿的权威DNS服务器的地址，你去找他。
6. 然后本地DNS拿到权威DNS服务器的地址又去问三哥。
7. 权威DNS服务器是干活儿的，知道具体的IP地址，告诉了本地DNS。
8. 然后本地DNS返回结果给客户端。

ARP物理地址解析协议

我们知道了IP怎样寻址。但是在路由的过程中，点对点的寻址是在数据链路层完成的，而链路层的MAC物理地址才是他们的流通地址。
所以ARP主要解决IP地址到MAC地址的映射问题这样我知道了下一跳的IP就能通过ARP知道下一跳的具体物理地址。
ARP主要通过ARP请求和ARP响应两种包确定MAC地址。
在同一个子网内，主机广播发送ARP请求，问xxIP这个地址是谁的。
同一个子网内的设备收到ARP请求后，解析包的内容，这个包的目的地址如果和自己的IP地址一致，就将自己的MAC地址塞入ARP响应包返回给主机，告诉他xxIP这个地址是我的，我的MAC地址是xxxx。

然后操作系统会吧第一次ARP解析的结果缓存起来，下次他直接查缓存就能找到对应的IP和MAC。（注：有期限，定期清理，超出存储能力也会清理）

还有一个RARP协议，顾名思义，解决知道MAC但不知道IP的情况。解决方法一样，两次消息。通常用于小型嵌入式设备（如打印机）接入网络中的时候。

DHCP动态获取IP地址（基于UDP）

电脑通常通过DHCP动态获取IP地址。

1. 客户端先发起DHCP发现报文，因为本身没有IP是一个没有身份的人，也不知道DHCP服务器的地址。所以使用UDP广播通信。客户端将该IP数据报传给链路层之后，链路层将帧广播到所有网络设备
2. 服务器收到之后回应DHCP提供报文。
3. 客户端可能会收到多个提供报文，选一个即可。并向其发送DHCP请求报文。
4. 该客户端回应DHCP ACK应答。交互完成。

全程使用UDP广播通信，但广播只限于同一局域网，如果需要转发到另一个网络中，岂不是每个网络都要配一个DHCP服务器？
DHCP中继代理，对不同网段IP地址分配可以用同一个DHCP服务器同一管理
实现的方式就是路由器扮演中继代理的角色，把广播的信号中继单播出去。

NAT+端口=NAPT 公私网络地址转换

普通NAT没有什么意义，是公私有地址一对一映射。

私有网络内不同IP可以经由NAT路由器，映射为同一个共有IP地址，但是由于发来的端口号不同，所以包发回来的时候路由器还是能区分该转发回给谁。

ICMP控制报文协议（IP层协议）

ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol，

ICMP报文类型

• 查询报文类型
• 差错报文类型
  
  由上述报文就可实现以下功能：
• 确认IP包是否送达
• 报告IP包被丢弃原因
• 改善网络设置

ping 基于ICMP

ping 命令执⾏的时候，源主机⾸先会构建⼀个 ICMP 回送请求消息数据包。
ICMP包中最重要的有两个字段：

1. 类型字段：表示该包类别，ICMP回送请求包字段为8
2. 序号

每发出一个数据请求包，序号就会自加1。为了计算RTT，在发送报文的数据部分会插入时间戳。

然后开始封装：
ICMP协议将数据包交给IP层，IP层提取目的地址，加上自己的源地址等信息加上IP头。
然后继续向下到链路层，加上MAC头，加之前需要查MAC地址，所以这里可能需要用到ARP协议。再附加上一些控制信息。就可以发出去了。

接收方：
先拆MAC头，看对不对。接收帧，将IP包提取出来。IP层最终提取ICMP报文。
此时接收方会构建一个ICMP回送应答包，类型字段为0.

这是在同一网段的情况，如果不在同一网段，还需要经过网关和路由器的转发等步骤。

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