计算机网络笔记再战——理解几个经典的协议4

目录

IP——网际协议

IP地址

1. A类地址

2. B类地址

3. C类地址

4. D类地址（组播地址）

5. E类地址（保留地址）

特殊地址与私有地址

广播地址

IP多播

子网掩码

传统分类与CIDR/VLSM的对比

路由控制

默认路由

主机路由

环回地址

IP包的分发重组

IPv6

地址空间扩展

地址类型

自动配置

报头简化

安全性

服务质量（QoS）

移动性

过渡机制

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IP——网际协议

我们终于来到了第一个严肃介绍的IP协议。他是一个经典的网络层协议，他控制了数据链路层在抽象的设备概念中的传递，也就是说，我们现在可以让数据链路层安心的传递，至于具体如何在设备之间如何按照调度流通，是IP层的事情。

我们常说的IP地址就是网络层的地址，到这里，我们使用一个IP地址来标识一个远程的目标：

在互联网内部，我们揭开这团迷雾，就是一系列用来进行转发的路由器设备：

也就是说，我们的数据包实际上就是让路由器进行一系列的转发，根据路由器的指示一步一步的到达目的地的终点！每一个路由器查看的就是包的目的地址，查询我们的路由控制表，来决定一个包到底往哪里去！

需要注意的是——IP是一个无连接的协议，或者说，它并不会跟对面打招呼说“我要传递了”才去传递，这一层次上使用IP协议的设备，对于来到的数据会立马进行转发出去。

IP地址

现在，我们来谈IP地址，对于IPv4地址，一共有32位。虽然现在来看，32位地址远远不够用了，但是我们仍然使用了子网划分办法来对IP地址的作用域进行了一定的约束（比如说看到192大头的肯定就是本地私有网的地址，绝对没办法到公网上流通一个道理）

IPv4地址是有分类的，原本，他们的分类是基于网络规模和用途设计的，分为A、B、C、D、E五类，每类通过地址的前几位比特区分

1. A类地址

• 范围：0.0.0.0 到 127.255.255.255

• 二进制前缀：第一位为 0（即 0xxxxxxx）。

• 结构：

  • 网络部分：第一个字节（8位），但实际可用网络号为 1.0.0.0 至 126.0.0.0（排除0.x.x.x和127.x.x.x保留段）。

  • 主机部分：后三个字节（24位），支持每个网络约1677万台主机（(2^{24} - 2)）。

• 默认子网掩码：255.0.0.0。

• 用途：适用于超大型网络（如ISP）。

特殊保留地址：

• 127.0.0.0/8：环回地址（如127.0.0.1为本机）。

• 0.0.0.0：表示默认路由或无效地址。

2. B类地址

• 范围：128.0.0.0 到 191.255.255.255

• 二进制前缀：前两位为 10（即 10xxxxxx）。

• 结构：

  • 网络部分：前两个字节（16位），实际网络号为 128.0.0.0 至 191.255.0.0，共 (2^{14} = 16384) 个网络。

  • 主机部分：后两个字节（16位），支持每个网络65534台主机（(2^{16} - 2)）。

• 默认子网掩码：255.255.0.0。

• 用途：适合中型企业或机构。

3. C类地址

• 范围：192.0.0.0 到 223.255.255.255

• 二进制前缀：前三位为 110（即 110xxxxx）。

• 结构：

  • 网络部分：前三个字节（24位），共 (2^{21} ≈ 209万) 个网络。

  • 主机部分：最后一个字节（8位），支持每个网络254台主机（(2^{8} - 2)）。

• 默认子网掩码：255.255.255.0。

• 用途：适合小型网络（如家庭或办公室）。

4. D类地址（组播地址）

• 范围：224.0.0.0 到 239.255.255.255

• 二进制前缀：前四位为 1110（即 1110xxxx）。

• 用途：用于组播通信（如视频会议、流媒体），不分配给单个设备。

• 示例：

  • 224.0.0.1：所有主机组播地址。

  • 224.0.0.2：所有路由器组播地址。

5. E类地址（保留地址）

• 范围：240.0.0.0 到 255.255.255.255

• 二进制前缀：前四位为 1111（即 1111xxxx）。

• 用途：保留用于实验或未来扩展，不用于常规网络。

特殊地址与私有地址

1. 私有地址（不可在公网路由）：

   • A类：10.0.0.0/8

   • B类：172.16.0.0/12（172.16.0.0 至 172.31.255.255）

   • C类：192.168.0.0/16

2. 自动配置地址（APIPA）：169.254.0.0/16（DHCP失败时使用）。

3. 受限广播地址：255.255.255.255。

4. 网络/广播地址：主机位全0为网络地址，全1为广播地址（如192.168.1.0为网络地址，192.168.1.255为广播地址）。

广播地址

当然，还有一类地址是广播地址，这样的地址是将主机地址部分全部写1，比如说对于B类的172.20子网下，我们会把余下的部分全部置一，得到172.20.255.255，这个地址就是将信息发送到整个子网中的所有设备。

IP多播

IP多播（IP Multicast）是一种网络通信方式，允许一个发送者将数据包同时传输给多个接收者，而不是像单播（Unicast）那样一对一传输，或广播（Broadcast）那样发送给所有设备。多播通过高效利用网络资源，特别适合一对多或多对多的通信场景。

子网掩码

这个技术的提出是基于网络分类的退出而诞生的。我们现在的IP地址是需要两个部分的东西的——一个是IP地址，另一个就是子网掩码！我们需要一个子网掩码来决定哪一些位是主机位

CIDR进一步激进的推广了上面的做法，也就是彻底的取消了网络的分类（这就是为什么偷懒使用AI帮我写了，因为已经几乎不用了），我们使用子网掩码来动态的使用一个IP来隐藏一个巨大的网络（发送到了一个IP，这个IP往往表达一个门关，这个门关接受到信息后转发给内部的路由器再展开检查主机代码）这样的技术就是VLSM。

传统分类与CIDR/VLSM的对比

特性	传统分类（A、B、C类）	CIDR/VLSM
地址分配	固定网络和主机划分	灵活的网络和主机划分
掩码长度	固定（A类：/8，B类：/16，C类：/24）	可变长度（任意前缀长度）
地址利用率	低（容易浪费地址）	高（根据需求分配）
路由表大小	大（无法聚合）	小（支持路由聚合）
适用场景	早期网络	现代网络（IPv4和IPv6）

路由控制

刚刚我们谈到了路由的办法，这里就是一个样例图，说明我们的包是如何传递和转发的。

常见的路由有这些：

默认路由

我们指定一个默认的设备作为未匹配的设备作为标识——比如说代表的就是0.0.0.0/0，也就是一个没有设备的IP，意味着我们实际上没有命中设备

主机路由

也就是让IP地址所有位都参与路由

环回地址

127.0.0.1，这个就是表达自己的IP地址（下次谁说查出来你的IP是127.0.0.1的直接哈哈大笑就完事了）

IP包的分发重组

我们知道通信是异步的，特化的，所以，IP作为一个宏观抽象，就必须介入屏蔽底层的抽象，现在我们的IP包分发都是分为若干带有分片标识的IP包。这里，分片的大小控制就是用了路由MTU发现的功能——也就是说，我们进行对路由器最大可以传递的单位大小进行一个试探。做法是：

1. 先不分片，直接赌我们的网络可以直接发送一整个包，对于接不住的网络会直接丢弃，发送一个ICMP包返回告知目的地不可达

2. 然后，逐步依次递减大小的对IP包分片，直到我们的目标设备不发回来目的不可达的ICMP包，我们认为就是最大的MTU（Max Transmit Unit）

3. 之后，每当出现了目的地不可达的时候，我们进一步分片试探，动态的调整我们的包分片。

IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6）是下一代互联网协议，旨在解决IPv4地址耗尽问题，并提供更多的改进和功能。IPv6的设计不仅扩展了地址空间，还引入了许多新的特性，以支持现代互联网的需求。

地址空间扩展

IPv6最显著的改进是其巨大的地址空间。IPv6地址长度为128位，相比IPv4的32位地址，IPv6提供了约3.4×10^38个唯一地址。这一扩展确保了未来几十年甚至更长时间内，互联网设备的增长需求能够得到满足。IPv6地址通常以八组四位十六进制数表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。为了简化表示，前导零可以省略，连续的零组可以用双冒号::代替，但双冒号只能使用一次。

地址类型

IPv6定义了三种主要的地址类型：单播地址、组播地址和任播地址。单播地址用于标识单个接口，数据包会被发送到该接口。组播地址用于标识一组接口，数据包会被发送到该组的所有接口。任播地址也用于标识一组接口，但数据包只会被发送到该组中最近的一个接口。IPv6取消了广播地址，取而代之的是更加灵活的组播地址。

自动配置

IPv6引入了无状态地址自动配置（SLAAC），允许设备在没有DHCP服务器的情况下自动配置自己的IPv6地址。设备通过接收路由器发送的路由器通告（RA）消息，结合自己的接口标识符（通常基于MAC地址），生成全球唯一的IPv6地址。此外，IPv6也支持有状态地址配置（DHCPv6），适用于需要更精确控制地址分配的场景。

报头简化

IPv6的报头结构相比IPv4更加简洁和高效。IPv6报头固定为40字节，包含8个字段，而IPv4报头长度可变，包含13个字段。IPv6报头的简化减少了路由器处理数据包的开销，提高了转发效率。此外，IPv6将可选字段移到了扩展报头中，使得路由器在处理数据包时只需查看基本报头，进一步提高了性能。

安全性

IPv6在设计时考虑了安全性，IPsec（Internet Protocol Security）成为IPv6的强制组成部分。IPsec提供了数据加密、认证和完整性保护，确保通信的安全性和隐私性。虽然IPsec也可以在IPv4中使用，但在IPv6中它是内置的，更容易部署和使用。

服务质量（QoS）

IPv6引入了流量类别和流标签字段，支持更好的服务质量（QoS）管理。流量类别字段用于标识数据包的优先级，流标签字段用于标识特定流的数据包，使得网络设备能够对不同类型的流量进行区别处理，确保关键应用的低延迟和高带宽需求。

移动性

IPv6对移动设备的支持更加友好。移动IPv6（MIPv6）允许设备在改变网络连接点时保持持续的IP连接，而无需中断正在进行的通信。这对于移动互联网和物联网设备尤为重要，确保了无缝的网络体验。

过渡机制

由于IPv6与IPv4不兼容，过渡期间需要采用多种机制确保两种协议的共存和互通。常见的过渡技术包括双栈（Dual Stack）、隧道（Tunneling）和协议转换（NAT64）。双栈允许设备同时运行IPv4和IPv6协议栈，隧道技术将IPv6数据包封装在IPv4数据包中传输，NAT64则允许IPv6设备与IPv4设备通信。