计算机网络⑧ —— IP地址

IP位于TCP/IP参考模型的第三层，也就是⽹络层
⽹络层的主要作⽤：实现主机与主机之间的通信，也叫点对点通信

问题1：⽹络层(IP)与数据链路层(MAC)有什么关系呢？

• MAC的作⽤：实现直连的两个设备之间通信。
• IP的作⽤：负责在没有直连的两个⽹络之间进⾏通信传输
• 在⽹络数据包传输中，源IP地址和⽬标IP地址在传输过程中是不会变的，只有源MAC地址和⽬标MAC⼀直在变化

1. IP地址的分类

• 主机号全为1指定某个网络下的所有主机，用于广播
• 主机号全为0指定某个网络
• ⼴播地址⽤于在同⼀个链路中相互连接的主机之间发送数据包。⼴播地址可以分为本地⼴播和直接⼴播两种。
  • 在本⽹络内⼴播的叫做本地⼴播
  • 在不同⽹络之间的⼴播叫做直接⼴播
• D 类和 E 类地址是没有主机号的，所以不可⽤于主机 IP，D 类常被⽤于多播，E 类是预留的分类，暂时未使⽤
  • 多播地址⽤于将包发送给特定组内的所有主机。由于⼴播⽆法穿透路由，若想给其他⽹段发送同样的包，就可以使⽤可以穿透路由的多播。

2. IP分类的优缺点

• 优点：可以根据IP地址的前四位来判别IP地址属于哪个类别。简单明了，选路简单。
• 缺点：地址划分缺少灵活性
  • A、B、C类不能很好的与现实⽹络匹配
  • C 类地址能包含的最⼤主机数量太少了，只有 254 个
  • B 类地址能包含的最⼤主机数量⼜太多了，⼀般的企业基本达不到这个规模

3. CIDR⽆分类地址

• 32 ⽐特的 IP 地址被划分为两部分，前⾯是⽹络号，后⾯是主机号

• 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

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

• 分离网络号和主机号的作用：

  • 因为两台计算机要通讯，⾸先要判断是否处于同⼀个⼴播域内，即⽹络地址是否相同。
  • 如果⽹络地址相同，表明接受⽅在本⽹络上，那么可以把数据包直接发送到⽬标主机。
  • 路由器寻址⼯作中，也就是通过这样的⽅式来找到对应的⽹络号的，进⽽把数据包转发给对应的⽹络内。

• 如何进行子网划分：

  • 通过⼦⽹掩码划分出⽹络号和主机号，并且可以划分⼦⽹
  • ⼦⽹划分实际上是将主机地址分为两个部分：⼦⽹⽹络地址和⼦⽹主机地址!
    

4. 公有IP地址与私有IP地址：

• 私有 IP 地址通常是内部的 IT ⼈员管理，公有 IP 地址是由 ICANN 组织管理，中⽂叫互联⽹名称与数字地址分配机构。

5. IP地址与路由控制：

• IP地址的⽹络地址这⼀部分是⽤于进⾏路由控制。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。在主机和路由器上都会有各⾃的路由器控制表。
• 在发送 IP 包时，⾸先要确定 IP 包⾸部中的⽬标地址，再从路由控制表中找到与该地址具有相同⽹络地址的记录，根据该记录将 IP 包转发给相应的下⼀个路由器。
• 如果路由控制表中存在多条相同⽹络地址的记录，就选择相同位数最多的⽹络地址，也就是最⻓匹配。
• 注：
  • 环回地址不会流向⽹络，环回地址是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。 计算机使⽤⼀个特殊的 IP 地址 127.0.0.1 作为环回地址
  • 与该地址具有相同意义的是⼀个叫做 localhost 的主机名。使⽤这个 IP 或主机名时，数据包不会流向⽹络

6. IP分片与重组

• 每种数据链路的最⼤传输单元 MTU 都是不相同的，因为每个不同类型的数据链路的使⽤⽬的不同。
  • 最常⻅数据链路是以太⽹，它的 MTU 是 1500 字节
• 当 IP 数据包⼤⼩⼤于 MTU 时， IP 数据包就会被分⽚。 经过分⽚之后的 IP 数据报在被重组的时候，只能由⽬标主机进⾏，路由器是不会进⾏重组的。
• 在分⽚传输中，⼀旦某个分⽚丢失，则会造成整个 IP 数据报作废，所以 TCP 引⼊了 MSS 也就是在 TCP 层进⾏分⽚不由 IP 层分⽚，对于 UDP 我们尽量不要发送⼀个⼤于 MTU 的数据报⽂

7. IPv6

• 更多的地址，更好的安全性和扩展性，但IPV4和IPV6不能兼容

• 特点：

  • 可分配地址变多
  • IPv6 可⾃动配置，即使没有 DHCP 服务器也可以实现⾃动分配IP地址
  • 简化了⾸部结构，减轻了路由器负荷，提⾼了传输的性能
  • IPv6 有应对伪造 IP 地址的⽹络安全功能以及防⽌线路窃听的功能，⼤⼤提升了安全性

• 标识方法：

• 结构：

• IPV6单播地址类型：

  • 对于⼀对⼀通信的 IPv6 地址，主要划分了三类单播地址，每类地址的有效范围都不同。
  • 在同⼀链路单播通信，不经过路由器，可以使⽤链路本地单播地址，IPv4 没有此类型
  • 在内⽹⾥单播通信，可以使⽤唯⼀本地地址，相当于 IPv4 的私有 IP
  • 在互联⽹通信，可以使⽤全局单播地址，相当于 IPv4 的公有 IP

• IPV4⾸部与IPV6⾸部：

  • 取消了⾸部校验和字段：因为在数据链路层和传输层都会校验，因此 IPv6 直接取消了 IP 的校验
  • 取消了分⽚/重新组装相关字段：分⽚与重组是耗时的过程，IPv6 不允许在中间路由器进⾏分⽚与重组，这种操作只能在源与⽬标主机，这将⼤⼤提⾼了路由器转发的速度
  • 取消选项字段：选项字段不再是标准 IP ⾸部的⼀部分了，但它并没有消失，⽽是可能出现在 IPv6 ⾸部中的下⼀个⾸部指出的位置上。删除该选项字段使的 IPv6 的⾸部成为固定⻓度的 40 字节。