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；