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计算机网络②IP协议

作者：互联网

3、IP 协议

TCP/IP 的心脏是互联网层，对应 OSI 参考模型的网络层。

  1. 网络层：实现终端节点之间的通信，端到端通信（end-to-end）。

  2. 主机：配置有 IP 地址，但不进行路由控制。

  3. 路由器：既配置有 IP 地址，也具有路由控制能力。

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3.1、网络层 & 数据链路层

  1. 数据链路层：提供直连的两个设备之间的通信功能。即在同一条数据链路中的节点进行包传递。

  2. 网络层：可以跨越不同的数据链路。

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3.2、IP 基础知识

3.2.1、IP 地址

  1. IP 地址：用于在连接到网络中的所有主机，识别出目标主机。

  2. 主机上的每一块网卡（NIC）都需要设置 IP 地址。

  3. IPv4：32 位二进制数。每 8 位为一组，用 . 隔开，再转换为十进制数。

  4. 组成

    • 网络地址：每个网段的网络地址不同，相同网段中的主机的网络地址相同。
    • 主机地址：同一个网段内的主机地址唯一。

  5. 分类

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  6. 广播地址：IP 地址中，主机地址都设置为 1。

  7. IP 多播：使用 D 类地址

  8. 子网：IP 地址的部分主机地址，用作子网地址。

  9. 子网掩码：IP 地址中，网络地址全为 1，主机地址全为 0。

  10. IP 地址数量：存在耗尽的危险

    • 全局地址：在整个互联网范围内保持唯一。
    • 私有地址：在同一个域里保持唯一。

3.2.2、路由控制

  1. 路由控制（Routing）：将分组数据发送到最终目标地址。

    • 跳（Hop）：网络中的一个区间，IP 数据报在一个个跳间被转发。
    • 多跳路由：路由器或主机在转发 IP 数据报时，只指定下一跳地址（下一个路由器或主机），而不是把到目标地址的所有通路全部指定。

  2. 路由控制表（Routing Table）：记录网络地址和下一跳地址。

  3. 形成方式：管理员手动设置，或与其它路由器相互交换信息时自动刷新。

  4. 工作过程

    1. 发送 IP 包时，确定 IP 包首部中的目标地址；
    2. 查路由控制表，找到具有相同网络地址的记录（最长匹配：相同位数最多的记录）；
    3. 转发给下一个路由器；
    4. 直到到达目标主机。

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  5. 默认路由（Default Route）：路由表任意一个地址都能与之匹配，标记为 0.0.0.0/0 或 default。

    • 0.0.0.0/0：后面是/0，说明不是标识一个 IP 地址；
    • default：很少使用

  6. 主机路由（Host Route）：IP 地址的所有位都参加路由，标记为IP地址/32

  7. 环回地址：同一台计算机上的程序之间通信时使用。地址为 127.0.0.1，主机名为 localhost。

3.2.3、IP 分片

不同数据链路的最大传输单位（MTU）不同，IP 抽象化了数据链路。

  1. IP 分片（IP Fragmentation）：将 IP 分为多个较小的包。

    • 在源主机或路由器进行分片，在目标主机进行重组。
    • 缺点：路由器处理负荷加重，因此引入路径 MTU。

  2. 路径 MTU：收发主机之间，不需要分片时 MTU 的最大大小。即路径上所有数据链路中最小的 MTU。

  3. 路径 MTU 发现：在发送主机按照路径 MTU 的大小分片后进行发送，避免在路由器上进行分片。

    1. 发送主机发送 IP 数据报时，将首部的分片标志位设为 1（表示不分片）。
    2. 路由器接收时将该包丢弃，并通过 ICMP 将 MTU 值返回给发送主机。
    3. 发送主机设置当前 MTU，对数据报进行分片，再次发送。
    4. 反复以上，直到不再接收到 ICMP 的消息，说明已经是一个合适的 MTU 值。

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3.3、IPv4 首部

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3.4、相关技术

IP 将数据包发送到目标主机，但仅凭 IP 无法 完成通信。

3.4.1、DNS

域名系统（Domain Name System），适用于 IPv4 和 IPv6

  1. DNS：负责主机名和 IP 地址的转换。

  2. 域名分层结构（树形）

    • 根域
    • 顶级域
    • 二级域
    • 三级域或主机名

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  3. 域名服务器：管理域名的主机和软件，管理的分层为 ZONE（区）。

  4. DNS 解析器（Resolver）：进行 DNS 查询的主机和软件。

  5. DNS 查询

    1. 解析器向 DNS 服务器查询 IP 地址；
    2. 服务器接收到请求：如果有该域名对应的 IP 地址会直接返回；如果没有，会向上一层服务器查询；
    3. 直到找到指定的域名服务器，并由该服务器返回查询的 IP 地址。

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3.4.2、ARP

地址解析协议（Address Resolution Protocol） ，适用于 IPv4

  1. ARP：从 IP 地址定位 MAC 地址。

    • ARP 请求：源 MAC 地址，目标 IP 地址；
    • ARP 响应：源 IP 地址，目标 MAC 地址。

  2. 工作过程

    1. 源主机通过广播发送一个 ARP 请求包（包含了源 MAC 地址，想要了解其 MAC 地址的目标 IP 地址）。

    2. 同一个链路上的所有主机和路由器接收并解析 ARP 请求包；

    3. 如果其中的目标 IP 地址与自身的 IP 地址一致，则通过其中的源 MAC 地址，发送一个 ARP 响应包给源主机（包含了自身 MAC 地址）

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  3. 缓存：将获取到的 MAC 地址缓存一段时间，避免浪费网络流量。

  4. RARP（Reverse ARP）：与 ARP 相反，从 MAC 地址定位 IP 地址。

  5. 代理 ARP：将 ARP 请求转发给相邻的网段，而不会被路由器隔离。

3.4.3、ICMP

网际管理信息协议（Internet Control Message Protocol）

  1. 搭建 IP 网络的注意点：确认网络正常工作，异常时问题诊断。

  2. ICMP：确认 IP 包是否送达、通知源主机 IP 包被丢弃的原因、改善网络设置等。

  3. ICMP 消息：通知出错原因的错误消息，用于诊断问题的查询消息。

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3.4.4、DHCP

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol），适用于 IPv4 和 IPv6

  1. DHCP：自动设置 IP 地址、统一管理 IP 地址分配。
  2. 有了 DHCP，计算机只要连接到网络，就可以进行 TCP/IP 通信（即插即用）。

3.4.5、NAT

网络地址转换（Network Address Translator）

  1. NAT：将本地网络的私有地址，在连接互联网时转换成全局地址。
  2. NAT-PT：将 IPv6 的首部转换为 IPv4 的首部。

3.4.6、IP 隧道

  1. IP 隧道：在网络层的首部后面追加网络层首部。

  2. 作用：让 IPv6 和 IPv4 的网络之间正常通信。

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标签：ARP,协议,IP,MTU,计算机网络,地址,主机,路由器
来源： https://www.cnblogs.com/secretmrj/p/15939236.html