网络原理（五）：IP 协议

目录

认识IP 地址

子网掩码

作用

动态分配IP 地址

NAT 机制

认识MAC地址

MAC地址如何工作

网络设备和相关技术

集线器：转发所有端口

交换机：MAC地址转换表+转发

主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

路由器：路由+NAPT

数据链路层重点协议

以太网

认识以太网

认识MTU

ARP协议

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认识IP 地址

概念：

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

作用：

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。

格式：

IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110
通常用“点分十进制”的方式来表示，即 a.b.c.d 的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：    100.4.5.6。

 IP 有两个版本，IPV4 和 IPV6 ；IPV4 是四个字节表示，IPV6 并不是六个字节，而是16 个字节2^128 ，地球上每一粒沙子都可以被完全覆盖。

随着时代的发展，目前的 IPV4 有点不够用了，4个字节毕竟太小；那为啥当初设计的时候不直接多给几个字节？  这主要就是时代的局限性，放在当时，每一个字节都很珍贵，其次就是当时使用设备的人太少了，42亿9千万 足够他们使用了。

而 IPV6 就完美的解决了这个问题，2 ^128 也不知道啥时候能用完。

组成：

IP地址分为两个部分，网络号和主机号

1. 网络号：标识网段，保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
2. 主机号：标识主机，同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号；

通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。

那么，如何划分网络号和主机号呢？

分类：

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类，如下图所示

A、B、C三类及特殊D、E。全0和全1的都保留

1. A：(1.0.0.0-126.0.0.0)（默认子网掩码：255.0.0.0        
   1. 网络号取值于1~126
   2. 大型网络。
2. B：(128.0.0.0-191.255.0.0)（默认子网掩码：255.255.0.0
   1. 该类IP地址的最前面为“10”，
   2. 网络号取值于128~191
   3. 中等规模
3. C：(192.0.0.0-223.255.255.0)（子网掩码：255.255.255.0
   1. 该类IP地址的最前面为“110”，
   2. 网络号取值于192~223
   3. 小型网络。
4. D：是多播地址。
   1. 该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的网络号取值于224~239之间。
   2. 用于多路广播用户
5. E：是保留地址。
   1. 该类IP地址的最前面为“1111”，
   2. 网络号取值240~255

 这种划分只会出现在课本上（AB类主机号太长了，很少有这么大的局域网），现实中根本不会这么来表示，而是使用子网掩码等方式来表示 IP 地址。

目前为止，已经出现了 IP 地址不够用的情况，在此基础上有好几个缓解方法，后面会提到。

我们来看看子网掩码：

子网掩码

格式

子网掩码格式和IP地址一样，也是一个32位的二进制数。其中左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。
子网掩码也可以使用二进制所有高位1相加的数值来表示，如以上子网掩码也可以表示为24。

作用

其作用是：减少网络上的通信量；节省IP地址；便于管理；解决物理网络本身的某些问题。使用子网掩码划分子网后，子网内可以通信，跨子网不能通信，子网间通信应该使用路由器，并正确配置静态路由信息。划分子网，就应遵循子网划分结构的规则。

Classless Inter-Domain Routing(CIDR)：

　　CIDR 叫做无类域间路由,ISP 常用这样的方法给客户分配地址,ISP 提供给客户1 个块(block size),类似这样:192.168.10.32/28,这排数字告诉你你的子网掩码是多少,/28 代表多少位为1,最大/32.但是你必须知道的一点是:不管是A类还是B类还是其他类地址,最大可用的只能为/30,即保留2 位给主机位。

CIDR 值:

• 掩码255.0.0.0:/8(A 类地址默认掩码)
• 掩码255.255.0.0:/16(B 类地址默认掩码)
• .掩码255.255.255.0:/24(C 类地址默认掩码)

计算方式：

将 IP 地址和子网掩码进行“按位与”操作（二进制相同位，与操作，两个都是1结果为1，否则为0），得到的结果就是网络号。
将子网掩码二进制按位取反，再与 IP 地址位与计算，得到的就是主机号。
举例：

	二进制	二进制
IP地址	180.210.242.131	10110100.11010010.11110010.10000011
子网掩码	255.255.248.0	11111111.11111111.11111000.00000000
网络号	180.210.240.0	10110100.11010010.11110000.00000000
主机号	0.0.2.131	00000000.00000000.00000010.100000

聊到这里还是没有能解决IP地址不够的问题,那么究竟该如何解决IP 地址不够用的问题？

动态分配IP 地址

东半球的黑夜就是西半球的白天，那么对方的很多设备也就不在线，这样就空出了很多IP 地址了。

那么在此基础上，提出了：只有上网才会分配地址，不上网就不分配。    那么这样就可以省下一大批地址。但是这样还无法解决问题。

NAT 机制

我们既然无法解决问题，我们就退而求其次

我们将所有网络分为两部分：外网和内网

1. 内网IP：192.168.*   ； 10.*    ； 172.16.* - 172.31.*
2. 其余的都属于外网。

那么什么叫外网，什么叫内网呢？

外网的ip 都是唯一的，而内网的ip 是可以重复的（通常局域网都属于内网）。

如果内网想要访问外网，那么就会给他分配一个 ip ，但是这个 ip 不是这个设备独占的，这整个局域网内的所有设备共享一个 ip 。

那好问题来了，如果我两个设备同时想要访问外网，那么该怎么办呢？

举例：

我们假设有两个主机，内网ip 分别是：192.168.0.1 和 192.168.0.2；目的 ip 都是 1.2.3.4

我们想要出这个局域网，得先经过 路由器吧（这个路由器也是个 NAT 设备）；两个主机在路由器上做一个记录（具体内部干了啥我也不知道，反正交给路由器解决）， 这个路由器有一个外网ip （假设为 4.3.2.1）；那么此时就转换为： 4.3.2.1 的 ip 访问 1.2.3.4 的 ip 。

两个主机可能是不同的 端口号发送出去的数据，也或者是其他的。

我们上面说的只是内外网之间的访问，内网之间的访问，内网的ip 地址还是很有用的。

这样一个外网ip 就可以代表一大批内网设备了。

我们现实世界目前是使用 动态分配IP 地址 和 NAT 机制两种方式来提高 ip地址的利用率；然而这并不能完全解决问题（地址不够用）；解决问题的唯一方法就是 IPv6。

认识MAC地址

MAC地址，即 Media Access Control Address，用于标识网络设备的硬件物理地址。

1. 主机具有一个或多个网卡，路由器具有两个或两个以上网卡；其中每个网卡都有唯一的一个MAC地址。
2. 网络通信，即网络数据传输，本质上是网络硬件设备，将数据发送到网卡上，或从网卡接收数据。
3. 硬件层面，只能基于MAC地址识别网络设备的网络物理地址。

它们是 12 位字母数字，格式非常独特。一个例子是 A1:2B:C3:4D:E5:6F。从一开始就是这样，因为有 2 48 个（或 281,474,976,710,656）个可能的地址，我们很快就不需要其他方法了。

由于 MAC 地址是在工厂永久分配的，因此人们通常将其称为烧录地址或硬件地址。您甚至可以在直接贴在某些设备上的贴纸上找到 MAC 地址。

MAC地址如何工作

MAC 地址通过帮助网络上的事物将数据发送到正确的设备来发挥作用。您的手机或计算机在 Internet 上发送请求。当您的路由器收到该数据时，它会使用您的 MAC 地址来了解将数据发送到哪里。

但是，有一些细微差别。MAC 地址专门用于将同一网络中的设备标识为另一设备。当你通过蓝牙连接到某个东西时，唯一能获得你的 MAC 地址的就是你连接的那个东西。同样，当您连接到家庭 Wi-Fi 时，只有连接到家庭 Wi-Fi 的设备才能看到您设备的 MAC 地址。

总的来说，除了少数例外，互联网上的网站和其他设备看不到您的 MAC 地址。这些实体会获取您的 IP 地址。与 MAC 地址不同，IP 地址不是永久的，而是在您上网时分配的。因此，很少有设备真正有机会看到您设备的 MAC 地址。

上述来自：什么是 MAC 地址？你需要知道的一切 (baidu.com)

ok，目前为止我们所学的内功心法就到这里，目前都是为了做网站打下基础，接下来就要学外功招式（前端和后端了）；前端主要是为了扫盲，而不是真正吃透。

网络设备和相关技术

集线器：转发所有端口

集线器是工作在物理层的网络设备，发送到集线器的任何数据，都只是简单的将数据复制并转发到其他所有端口。（端口指集线器后边的物理端口）

交换机：MAC地址转换表+转发

交换机（Switch)是一种用于信号转发的。与集线器广播的方式不同,它维持一张MAC地址表，可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路.主要有二重交换机和三重交换机，二层交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，三重交换机带路由功能，工作于网络层。网络中的交换机一般默认是二重交换机。

交换机也有一张MAC—PORT对应表，和网桥不一样的是，网桥的表是一对多的(一个端口号对多个MAC地址),但交换机的表却是一对一的,根据对应关系进行数据转发,工作原理如下图所示.

主机&路由器：ARP缓存表+ARP寻址

首先，ARP是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；ARP协议建立了IP地址与MAC地址的映射关系。
在数据链路层，寻找下一跳设备MAC地址的过程，称为ARP寻址：

1. 主机和路由器中都保存了一张ARP缓存表：通过IP地址可以找到对应的MAC地址。
2. 根据下一跳设备的IP地址，在ARP缓存表中能找到对应的MAC地址，则可以设置目的MAC并发送数据报。
3. 如果找不到，则发送ARP广播数据报：目的MAC为广播地址，询问下一跳设备的MAC地址

路由器：路由+NAPT

路由器主要有两个作用：

• 网关：
  • 路由器作为网关，可以划分公网和局域网，某些路由器还可以将局域网划分为多个子网（不同网段）
  • 公网端口即WAN口，为单独的网卡，具有公网IP地址和公网MAC地址。
    • 划分的多个子网，是由局域网端口即LAN口划分，每个端口都有单独的网卡，具有该网段IP地址和MAC地址
  • 路由器作为网关：
    • 1. 划分局域网多个子网时，可以直接通过ARP寻址找到局域网任意主机。（这里的局域网就是路由器下的多个子网组成的局域网）。
    • 2. 划分公网和局域网时，局域网内主机发送数据报到公网主机时，需要基于NAPT协议，将局域网主机的IP地址和端口号，转换为路由器公网IP和端口号（指路由器中运行的程序的端口）。
       
• 路由
  • 所谓路由，即在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线；
    网络通信（网络数据传输），路由器中的路由功能，就类似于规划路线，往哪个方向行进能更快到达目的地。

IP 协议是网络层中的重点协议，那么聊完了网络层就再来看看数据链路层

数据链路层重点协议

我们在数据链路层需要了解三个重要的协议：以太网 ， 认识 MTU ， ARP协议

以太网

认识以太网

以太网不是一种具体的网络，而是一种技术标准，既包含了数据链路层又包含了物理层。

以太网中的网线必须使用双绞线；传输速率有10M，100M，1000M等；

以太网是当前应用最广泛的局域网技术；和以太网并列的还有令牌环网，无线LAN等；

源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固
化的；
帧协议类型字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP；
帧末尾是CRC校验码。

认识MTU

MTU相当于发快递时对包裹尺寸的限制。这个限制是不同的数据链路对应的物理层，产生的限制。
以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP数据包的长度不够46字节，要
在后面补填充位；
最大值1500称为以太网的最大传输单元（MTU），不同的网络类型有不同的MTU；
如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的MTU了，则需要对
数据包进行分片（fragmentation）；
不同的数据链路层标准的MTU是不同的；

ARP协议

虽然我们在这里介绍ARP协议，但是需要强调，ARP不是一个单纯的数据链路层的协议，而是一个介于数据链路层和网络层之间的协议；

ARP协议的作用

ARP协议建立了主机 IP地址 和 MAC地址 的映射关系。

1. 在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址；
2. 数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃；
3. 因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址