IP协议以及相关技术

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前言

大家好，我是练习两年半的Java练习生，今天我们来讲一讲计算机网络中的IP协议，以及我们经常听到的一些名词，像NAT、DHCP等等

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正文

IP基本认识

IP的作用

IP 在 TCP/IP 参考模型中处于第三层，也就是网络层。

网络层的主要作用是：实现主机与主机之间的通信，也叫点对点（end to end）通信。

IP和MAC的关系

IP和MAC两者之间分工明确，默契合作，完成通信过程。
在数据通信时，IP地址专注于网络层，网络层设备（如路由器）根据IP地址，将数据包从一个网络传递转发到另外一个网络上；
而MAC地址专注于数据链路层，数据链路层设备（如交换机）根据MAC地址，将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点上。
IP和MAC地址这种映射关系由ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）协议完成，ARP根据目的IP地址，找到中间节点的MAC地址，通过中间节点传送，从而最终到达目的网络。

做个比喻
IP地址相当于你的行程表，规定了你从哪里出发，要到哪里。
而MAC地址是你的交通工具，是要做飞机，然后做地铁。还是做高铁，然后打车。

IP地址的基础知识

IP地址定义

IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址（IPv4地址）由32位正整数来表示，IP地址在计算机是以二进制的方式处理的。
而人类为了方便记忆采用了点分十进制的标记方式，也就是将 32 位 IP 地址以每 8 位为组，共分为 4 组，每组以「.」隔开，再将每组转换成十进制。

这个格式的地址相信大家一定见过，你在window电脑的cmd中，输入ipconfig就可以看到你主机在你连网络中的地址。

IP地址分类(IPv4)

IP 地址分类成了 5 种类型，分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。

什么是A、B、C类地址？

地址 = 标识号 + 网络号 + 主机号 = 32位

其中
主机号为 全 0 ：表示某个网络
主机号为全 1 ： 指定某个网络下的所有主机，用于广播

什么是 D、E 类地址？

而 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。

多播地址用于什么？

多播用于将包发送给特定组内的所有主机。
还是举班级的栗子，老师说：“最后一排的同学，上来做这道数学题。”，老师指定的是最后一排的同学，也就是多播的含义了。
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。

IP 分类的优点

这种分类地址的优点就是简单明了、选路（基于网络地址）简单。

IP 分类的缺点

缺点一：
同一网络下没有地址层次，比如一个公司里用了 B 类地址，但是可能需要根据生产环境、测试环境、开发环境来划分地址层次，而这种 IP 分类是没有地址层次划分的功能，所以这就缺少地址的灵活性。
缺点二：
A、B、C类有个尴尬处境，就是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实在太少了，只有 254 个，估计一个网吧都不够用。
• 而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了，6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

无分类IP地址

CIDR

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。
这种方式不再有分类地址的概念，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。

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

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

将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

IPv6基础知识

IPv4 的地址是 32 位的，大约可以提供 42 亿个地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已经被分配完了。
但是 IPv6 的地址是 128 位的，这可分配的地址数量是大的惊人，说个段子 IPv6 可以保证地球上的每粒沙子都能被分配到一个 IP 地址。
但 IPv6 除了有更多的地址之外，还有更好的安全性和扩展性，说简单点就是 IPv6 相比于 IPv4 能带来更好的网络体验。
但是因为 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我们电脑、手机之类的设备支持，还需要网络运营商对现有的设备进行升级，所以这可能是 IPv6 普及率比较慢的一个原因。

IPv6优点

IPv6 不仅仅只是可分配的地址变多了，它还有非常多的亮点。

• 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，真是便捷到即插即用啊。
• IPv6 包头包首部长度采用固定的值 40 字节，去掉了包头校验和，简化了首部结构，减轻了路由器负荷，大大提高了传输的性能。
• 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。

IPv6表示方法

IPv4 地址长度共 32 位，是以每 8 位作为一组，并用点分十进制的表示方式。
IPv6 地址长度是 128 位，是以每 16 位作为一组，每组用冒号 「:」 隔开。

如果出现连续的 0 时还可以将这些 0 省略，并用两个冒号 「::」隔开。但是，一个 IP 地址中只允许出现一次两个连续的冒号。

IPv6 地址的结构

IPv6 类似 IPv4，也是通过 IP 地址的前几位标识 IP 地址的种类。

IPv6 的地址主要有以下类型地址：

• 单播地址，用于一对一的通信
• 组播地址，用于一对多的通信
• 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点是由路由协议决定
• 没有广播地址

相关技术

DNS域名解析

由于 IP 地址具有不方便记忆并且不能显示地址组织的名称和性质等缺点，人们设计出了域名，并通过域名解析协议（DNS，Domain Name System）来将域名和 IP 地址相互映射，使人更方便地访问互联网，而不用去记住能够被机器直接读取的 IP 地址数串。

那么域名由谁来规定和管理呢？不能是随便写吧？

全世界域名的最高管理机构，是一个叫做 ICANN （Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）的组织，总部在美国加州。ICANN 负责管理全世界域名系统的运作。

域名其实是具有一定的层次结构的，从上到下依次为：根域名、顶级域名（top level domain，TLD）、二级域名、（三级域名）

1. 顶级域名

先来讲讲顶级域名（TLD），即最高层级的域名。简单说，就是网址的最后一个部分。比如，网址www.baidu.com 的顶级域名就是 .com。
截至 2015 年 7 月，顶级域名共有 1058 个，它们大致可以分成两类：

• 一类是通用顶级域名（gTLD），比如.com、.net、.edu、.org、.xxx等等，共有 700 多个。
• 另一类是国家顶级域名（ccTLD），代表不同的国家和地区，比如.cn（中国）、.io（英属印度洋领地）、.cc（ 科科斯群岛）、.tv（图瓦卢）等，共有 300 多个。

2. 二级域名

在通用顶级域名或国家顶级域名之下具有不同的意义：

• 通用顶级域名下的二级域名：一般是指域名注册人选择使用的网上名称，如 yahoo.com（商业组织通常使用自己的商标、商号或其他商业标志作为自己的网上名称，如 baidu.com）
• 国家顶级域名下的二级域名：一般是指类似于通用顶级域名的表示注册人类别和功能的标志。例如，在 .com.cn 域名结构中，.com 此时是置于国家顶级域名 .cn 下的二级域名，表示中国的商业性组织，以此类推。

三级域名是形如 www.baidu.com 的域名，可以当做是二级域名的子域名，特征为域名包含两个 .。
三级域名甚至不能称为域名，一般称之为域名下的 “二级目录”。

3. 根域名

那么根域名在哪里呢？在层次结构中根域名不是最顶级的吗？域名中怎么没有看见它？
由于 ICANN 管理着所有的顶级域名，所以它是最高一级的域名节点，被称为根域名（root domain）。

在有些场合，www.xxx.com 被写成 www.xxx.com.，即最后还会多出一个点。这个点就是根域名。

DNS工作流程？

DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似，只指路不带路。

window中DNS服务器查看

先看看有哪些常用的DNS服务地址可查看：https://zhuanlan.zhihu.com/p/104285769

https://zhuanlan.zhihu.com/p/351059293

ARP

在传输一个 IP 数据报的时候，确定了源 IP 地址和目标 IP 地址后，就会通过主机「路由表」确定 IP 数据包下一跳。然而，网络层的下一层是数据链路层，所以我们还要知道「下一跳」的 MAC 地址。

由于主机的路由表中可以找到下一跳的 IP 地址，所以可以通过 ARP 协议，求得下一跳的 MAC 地址。

那么 ARP 又是如何知道对方 MAC 地址的呢？

简单地说，ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应两种类型的包确定 MAC 地址的。

1. 查看ARP表
2. 发ARP请求
3. ARP响应报文
4. 丢弃ARP请求报文
5. 开始正常通信

ARP表的分类？

ARP表项可分为：动态ARP表项和静态ARP表项。
动态ARP表项由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护，可以被老化，可以被新的ARP报文更新，可以被静态ARP表项覆盖。动态ARP适用于拓扑结构复杂、通信实时性要求高的网络。
静态ARP表项是由网络管理员手工建立的IP地址和MAC地址之间固定的映射关系。静态ARP表项不会被老化，静态ARP表项的优先级高于动态ARP表项，所以不会被动态ARP表项覆盖。

RARP 协议你知道是什么吗？

ARP 协议是已知 IP 地址求 MAC 地址，那 RARP 协议正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。例如将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时就经常会用得到

DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），前身是BOOTP协议，是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作，统一使用两个IANA分配的端口：67（服务器端），68（客户端）。
DHCP通常被用于局域网环境，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使client动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。

DHCP是怎么工作的？

DHCP协议采用UDP作为传输协议，DHCP客户端发送请求消息到DHCP服务器的68号端口，DHCP服务器回应应答消息给DHCP客户端的67号端口。
只有跟DHCP客户端在同一个网段的DHCP服务器才能收到DHCP客户端广播的DHCP DISCOVER报文。当DHCP客户端与DHCP服务器不在同一个网段时，必须部署DHCP中继来转发DHCP客户端和DHCP服务器之间的DHCP报文。
在DHCP客户端看来，DHCP中继就像DHCP服务器；在DHCP服务器看来，DHCP中继就像DHCP客户端。

无中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理

有中继场景时DHCP客户端首次接入网络的工作原理

DHCP作用是什么？

• 准确的IP配置：IP地址配置参数必须准确，并且在处理“ 192.168.XXX.XXX”之类的输入时，很容易出错。另外印刷错误通常很难解决，使用DHCP服务器可以最大程度地降低这种风险。
• 减少IP地址冲突：每个连接的设备都必须有一个IP地址。但是，每个地址只能使用一次，重复的地址将导致无法连接一个或两个设备的冲突。当手动分配地址时，尤其是在存在大量仅定期连接的端点（例如移动设备）时，可能会发生这种情况。DHCP的使用可确保每个地址仅使用一次。
• IP地址管理的自动化：如果没有DHCP，网络管理员将需要手动分配和撤消地址。跟踪哪个设备具有什么地址可能是徒劳的，因为几乎无法理解设备何时需要访问网络以及何时需要离开网络。DHCP允许将其自动化和集中化，因此网络专业人员可以从一个位置管理所有位置。
• 高效的变更管理：DHCP的使用使更改地址，范围或端点变得非常简单。例如，组织可能希望将其IP寻址方案从一个范围更改为另一个范围。DHCP服务器配置有新信息，该信息将传播到新端点。同样，如果升级并更换了网络设备，则不需要网络配置。

NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是1994年提出的。当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密）时，可使用NAT方法。

NAT解决了什么问题？

早期的NAT是指Basic NAT，Basic NAT在技术上实现比较简单，只支持地址转换，不支持端口转换。因此，Basic NAT只能解决私网主机访问公网问题，无法解决IPv4地址短缺问题。后期的NAT主要是指网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation），NAPT既支持地址转换也支持端口转换，允许多台私网主机共享一个公网IP地址访问公网，因此NAPT才可以真正改善IP地址短缺问题。

NAT是如何工作的？

NAPT工作原理
NAPT在进行地址转换的同时还进行端口转换，可以实现多个私网用户共同使用一个公网IP地址上网。NAPT根据端口来区分不同用户，真正做到了地址复用。

当Host访问Web Server时，设备的处理过程如下：

1. 设备收到Host发送的报文后查找NAT策略，发现需要对报文进行地址转换。
2. 设备根据源IP Hash算法从NAT地址池中选择一个公网IP地址，替换报文的源IP地址，同时使用新的端口号替换报文的源端口号，并建立会话表，然后将报文发送至Internet。
3. 设备收到Web Server响应Host的报文后，通过查找会话表匹配到步骤2中建立的表项，将报文的目的地址替换为Host的IP地址，将报文的目的端口号替换为原始的端口号，然后将报文发送至Intranet。

NAT Server工作原理

内部Server的私网IPv4地址为192.168.1.2/24，对外的公网IPv4地址为1.1.1.10，端口号都为80，它们之间的映射关系在设备上已提前配置好。当Host访问Server时，设备的处理过程如下：

1. 设备收到Internet上用户访问1.1.1.10的报文的首包后，查找并匹配到Server-Map表项，将报文的目的IP地址转换为192.168.1.2。
2. 设备建立会话表，然后将报文发送至Intranet。
3. 设备收到Server响应Host的报文后，通过查找会话表匹配到步骤2中建立的表项，将报文的源地址替换为1.1.1.10，然后将报文发送至Internet。
4. 后续Host继续发送给Server的报文，设备都会直接根据会话表项的记录对其进行转换，而不会再去查找Server-map表项。

ICMP

ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol，也就是互联网控制报文协议

ICMP 功能都有啥？

ICMP 主要的功能包括：确认 IP 包是否成功送达目标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善网络设置等。

在 IP 通信中如果某个 IP 包因为某种原因未能达到目标地址，那么这个具体的原因将由 ICMP 负责通知。

ICMP 类型

ICMP 大致可以分为两大类：

• 一类是用于诊断的查询消息，也就是「查询报文类型」
• 另一类是通知出错原因的错误消息，也就是「差错报文类型」

IGMP

IGMP是Internet Group Management Ptotocol的简称，被称为互联网组管理协议，是TCP/IP协议族中负责IPV4组播成员管理的协议。

IGMP作用？

作用1
IGMP用来在接收者主机和直接相邻的组播路由器之间建立和维护组播组成员的关系。

作用2
IGMP通过在接收者主机和组播路由器之间交互IGMP报文实现组成员管理功能，IGMP报文封装在IP报文中。

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总结

好啦，以上就是我们今天要介绍的全部内容，如果有什么问题，欢迎在评论区讨论，一起学习进步！

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参考连接

https://xiaolincoding.com/network/4_ip/ip_base.html#icmp
https://zhuanlan.zhihu.com/p/265293856
https://zhuanlan.zhihu.com/p/387885523
https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/DHCP.html