IP协议复习笔记

素颜马尾好姑娘i 2022-02-25 13:22 175阅读 0赞

# 1. 基本概念 #

IP协议：Internet Protocol， 网际协议，IP协议作为整个TCP/ IP中至关重要的协议，主要负责将数据包发送给最终的目标计算机。

> 网络层的重要协议有：ARP，IPv4，IPv6，ICMP，IPsec等.

网络层的主要作用是“实现终端节点之间的通信”.这种终端节点之间的通信也叫"点对点通信".

> 阿里真题：

Q : 网络层和传输层的区别？

A ：传输层位于网络层之上，传输层的协议为不同主机运行的进程提供逻辑通信，也就是端口对端口，我们称其为：“端对端通信”.

网络层的协议为不同主机提供逻辑协议，我们称其为：点对点通信。

主机：我们将那些配有IP地址的设备叫做“主机”，准确的说：“配置有IP地址，但是不进行路由控制的设备”。

路由器：既具有IP地址又具有路由控制能力的设备.

节点： 主机+路由器。

# 2. IP 基础知识. #

IP的作用分为三大块： IP 寻址，路由，IP分包与组包.

## 2.1 IP地址属于网络层地址 ##

在数据链路层中有一个大名鼎鼎的地址，叫做MAC地址，99.9%的情况下，MAC地址都是唯一确定的，但是MAC地址无法分层.

在网络层，则是更为有名的地址：IP 地址，其一般用于"连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址".

## 2.2 路由控制 ##

路由控制是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。

简单来说就是方向标的作用，如果你要从A地到B地，你需要先询问A地的售票员，他会卖给你去C地的票，然后你再问C地的售票员，他会卖给你B地的票。因为A地与B地相隔太远，所以每个售票员只能尽力而为的把你交给他知道的下一个。(和UDP一样，尽力而为的服务).

路由器就是一个售票员。

你就是一个IP包。

以上就是一个IP包在路由器之间的过程.

hop(跳): IP包从A路由器到B路由器的动作，叫做一跳，也就是一个hop.

售票员是用自己的脑子来记忆，路由器则是通过一个转发表来存储应该将IP包转发给对应的谁。

## 2.3 数据链路的抽象化 ##

IP是实现多个数据链路之间通信的协议.

> 数据链路层的主要作用是互连同一种数据链路的节点之间进行包传递.
> 
> 网络层则是可以跨越不同的数据链路，即使在不同的数据链路上也能实现两端节点之间的数据包传输。

网络层是弥补数据链路层不能跨不同链路的缺点，而数据链路层的地址MAC地址可以被抽象化为IP地址。

最大的区别则是两者的最大传输单位(MTU) 不同.

> 知乎上有一个经典的问答：“有哪些知识是没有一定计算机知识的人不能相信的”
> 
>  传输16K和传输28K的时间几乎相同，因为IP数据包的最小单位为15K，就像一个货车的满载量一样，所以即使前端将资源从30K优化到15K，对性能提升也还是不大。

以太网中一般默认是1500字节，而数据链路层中有名的FDDI为4352字节，ATM是9180字节，而IP的上一层很可能会要求传送比1500字节大得多的资源，此时就需要分片了(也就是在发送主机拆分，在接受主机组合),这种方式对于传输层和应用层来说，可以实现对数据链路层的透明。

## 2.4IP属于面向无连接型 ##

之前提到了IP使用的是尽力而为的服务，也就是面向无连接型的服务，那么为什么要使用面向无连接呢？

1.  为了简化，面向连接处理起来相对复杂，甚至管理每个连接本身就是一个相当繁琐的事情。
2.  建立和断开连接都会降低速度。
3.  上一层已经提供了面向连接，所以如果需要面向连接的可靠服务，直接使用上层协议即可.

## 2.5ip地址的分类 ##

IP地址分为四个级别：A类，B类，C类，D类，还有一直未被使用的E类 ,分别的标准是地址中从第1位到第4位的比特列对气网络标识和主机标识进行区分。

### A类地址 ###

--------------------

A类IP地址首位以“0”开头的地址。从第1位到第8位是它的**网络标识**。(0.0.0.0~127.0.0.0)，总共后24位相当于**主机标识**，因此，一个网段内可容纳的主机地址上限位16，777，214个。

### B类地址 ###

--------------------

B类开头是“10”，从第1位到第16位是他的**网络标识**，(128.0.0.0~191.255.0.0)，后16位详单与**主机标识**，又65，534个。

### C类地址 ###

--------------------

"110"开头，第1位到第24位作为网络标识(192.0.0.0~223.255.255.0)后8位相当于主机标识。上限有254个。

### D类地址 ###

--------------------

"110"开头，第1到32位是**网络标识**，(224…0.0.0~239.255.255.255)，没有主机标识，常用于多播。

## 2.6广播地址 ##

广播分为**本地广播**和**直接广播**.

本地广播：只在本网络中，不能跨路由器，路由器会屏蔽到所有到达的IP包。

直接广播：在不同网络之间进行的广播

### IP多播 ###

--------------------

多播：直接使用IP协议，将包传送给特定组内的所有主机。

在多播之前，一般使用广播和单播，但是单播太慢，想要给特定组内所有主机发送的话，需要一个遍历发送，而广播的缺点则在于无法跨路由器，此外还会给那些不接受广播的主机带来网络负担。

多播使用的是 D类地址，所以可以判断IP包的首位是“1110”判断是否其是多播。

# 3 路由控制 #

IP包想要从A机到达B机，需要经过很多路由，但是IP协议并没有定义如何制作**路由控制表**(方向标),所有该表是由另一个协议制作而成的：“路由协议”.

我们可以想到：如果路由A上记录了B和C都可以到达D，那么一定会选择离D更近的路由，也就是吻合长度更长的路由，而A如果发现自己治下的主机中就有这个IP，那就是属于“同一个数据链路”，也就是我们常说的局域网.

**默认路由**

默认路由是指路由表中任何一个地址都能与之匹配的记录，一般为0.0.0.0/0 或 default。

**主机路由**

"IP地址/32"也被称为主机路由，通常被用于不希望通过网络地址路由的情况。

**换回地址**

大名鼎鼎的localhost(127.0.0.1),使用这个IP的话，数据包不会流向网络.

# 4 IP分割处理与再构成处理 #

一个IP的最大数据量位1500字节，所以当遇到一个4342的数据，将会被路由器划分为三个IP数据包，这种分片处理只要**路由器**认为有必要，会周而复始的进行。

> 路由器可以做分片，但是不会进行重组

## 路径MTU（最大传输单元）发现 ##

在一些情况下，路径上的某些路由器会要求MTU（最大传输单元）比较小，那么会重复分片过程，这将会造成网络传输速度的下降，所以在发送之前，先找到最小的MTU限制，然后使用这个MTU进行分片。

机制：先发送一个常规的IP包，并禁止其被路由器分片,如果某个路由器的MTU比其包大小小，则将IP包丢弃，向发送主机报告错误，并告知这个路由器所能接受的MTU，将其设为新的MTU并重复上述过程，直到可以到达终点。

# 5. IPv6 #

IPv6是为了根本解决IPv4地址耗尽的问题而被标准化的网际协议.从IPv4切换到IPv6极其耗时，需要将网络中所有主机和路由器的IP地址进行重新设置。IPv6扩展了许多功能

1.  IP地址的扩大与路由控制表的耦合
2.  性能提升
3.  支持即插即用功能
4.  采用认证和加密功能
5.  多播，Mobile IP称为扩展功能

> 简而言之，IPv6就是全面增强并补完的IPv4。

> Q : 为什么直接从IPv4变成了IPv6，IPv5是啥？？
> 
> A : 在互联网中，因为IP协议影响东大，所以有很多机构都在参与，而一个新的IP协议需要反复的论证实验，所以往往有多个升级版，第五号版本是ST,第六号是IPv6，第七号是TP/IX,第八号版本是PIP，第九号版本是TUBA。
> 
> 这些版本全都是IPv4的后续版本，只是IPv6最终胜出了，成为了最佳的协议。所以版本号没有任何意义。

# 6. DNS协议 #

IP地址不便于记忆，即使对于计算机行业人士，一个新的IP依然需要花费时间去记忆，所以主机往往会利用一个叫做hosts 的数据库文件将主机名与IP地址进行映射,而如果网络稍微大一些，这种方式将会非常之慢，而且一旦更改起来，又将是一场对性能的考研，所以之后提出了DNS协议.

DNS系统：一个可以有效管理主机名和IP地址之间对应关系的系统，那就是DNS系统。

当用户输入主机名(域名)时，DNS会自动检索那个注册了主机名和IP地址的数据库，并迅速定位对应的IP地址，所以DNS系统就是一个将主机名(域名)映射为对应的IP地址的系统.

## 域名的构成 ##

顶级域名有：org,jp,cn,uk，com等,其下还有一级域名，二级域名等。一颗树，也就是其结构是分层的。

而域名服务器就是值管理域名的主机和对应的软件，它可以管理所在分层的域的相关信息。

## 解析器 ##

进行DNS查询的主机和软件叫做DNS解析器,用户所用的工作站或个人电脑都属于解析器。一个解析器至少要注册一个以上域名服务器的IP地址。通常，它至少包括组织内部的域名服务器的IP地址。

## DNS 查询 ##

当我们需要查询一个域名时，先向自己所在域的域名服务器A发送请求,域名服务器A先在自身查找，没有找到的话，向上层域名服务器B发送请求，直到找到或者到了根服务器还是没有找到才结束。

如果根域名服务器知道对应的IP地址的话，那么域名服务器A会像对应的域名服务器发送查询，并将得到的IP返回给客户机。

DNS查询明显用到了域名分组,以便于迅速查找到对应的IP地址。

此外，DNS如果互联网种的分布式数据库，此外还有许多其他的功能。(IP地址反向解析，安全证书，邮件交换，密钥，主机的IPv6地址，缓存记录，等等。)

# 7. ARP协议 #

ARP就是地址解析协议，将IP地址转化为对应的MAC地址的协议，用于在目标主机所在的数据链路层进行定位。ARP时借助ARP请求和ARP相应两种类型的包确定MAC地址的。

ARP请求：主机A(一般是路由器)向同一链路上的主机B发送IP包，在此数据链路层的所有主机都将收到这一包，但是只有对应IP的主机会回复MAC地址，然后主机A获得了IP对应的MAC地址。

上一步明显有许多不必要的网络流量，为了得到一个IP地址就需要让每个主机接受一次，所以对应的策略就是做一段时间的缓存，将IP-MAC映射缓存起来。 当然，每执行一次ARP，其对应的缓存内容都会被清除（刷新）。因为通常情况下，发送过一次IP数据包的主机，继续发送IP数据报的可能性比较高，所以缓存可以有效的减少ARP包的发送，而接收方也可以将发送方的IP和MAC进行缓存，以便于发送相应包(确认收到的包).

### RARP协议 ###

ARP协议的反义词，将对应的MAC地址转化为IP地址，过程与ARP类似。

# 8.相关其他协议 #

DHCP协议：实现即插即用协议，设备自动获取IP地址，子网掩码，默认路由，DNS服务器。不用配置以上东西的主机大部分情况下都活在DHCP协议下。

ICMP协议：说到ICMP可能不太熟，但是ping命令几乎所有计算机相关的人都知道，ping命令就是基于ICMP开发的，而ICMP的作用就是：确认IP包是否成功送达目标地址，通知再发送过程当中IP包被废弃的具体原因，改善网络等。对应功能繁多，比如之前提到的MTU探索，找到路径上允许的最大MTU，以减少IP切片时间。

NAT协议：允许主机再本地网络使用私有地址，连接互联网时使用全局IP地址，一般学校使用的校园网都实现了这个协议。这个协议的主要作用就是使用有限的IP，为更多的主机服务。可以想象到一所2w人的学校，不可能所有人都再同时连接校园网，所以只需要大概几千个公网IP即可，而NAT协议还支持多个主机使用一个IP使用不同的端口，从而更大化利用有限的IP个数。

IP隧道：如果两个IPv6的网络中间有一个IPv4的网络，那么这两个v6的网络通信将会变得很麻烦，解决办法就是将IPv6的数据包增加一个IPv4的首部即可，IP隧道就是在原有的包前追加一个期望首部。