网络基础（三）：IP协议

我就是我 2023-01-01 01:53 152阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、什么是IP协议？
 *  二、IP协议头格式
 *  三、地址管理
 *   *  3.1 早期地址管理
     *  3.2 现在地址管理
     *  3.3 特殊的IP地址
 *  四、私有IP地址和公网IP地址
 *  五、路由选择
 *  六、NAT技术
 *   *  6.1 静态NAT
     *  6.2 动态NAT
     *  6.3 NAPT
     *  6.4 NAT技术的缺陷
     *  6.5 NAT和代理服务器

# 一、什么是IP协议？ #

**摘自百度百科：**  
IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**主机:** 配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备。  
**路由器:** 即配有IP地址, 又能进行路由控制。  
**节点:** 主机和路由器的统称。

# 二、IP协议头格式 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**4位版本号(version):** 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4  
**4位头部长度(header length):** IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length \* 4 的字节数，4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节  
**8位服务类型(Type Of Service):** 3位优先权字段(已经弃用), 4位TOS字段和1位保留字段(必须置为0). 4位TOS分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于ssh/telnet这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要  
**16位总长度(total length):** IP数据报整体占多少个字节  
**16位标识(id):** 唯一的标识主机发送的报文。 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的  
**3位标志字段:** 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到)。第二位置为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片", 如果分片了的话,最后一个分片置为1, 其他是0，类似于一个结束标记  
**13位分片偏移(framegament offset):** 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 \* 8 得到的。因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)  
**8位生存时间(Time To Live, TTL):** 数据报到达目的地的最大报文跳数 一般是64。每次经过一个路由, TTL减1, 一直减到0还没到达, 那么就丢弃了这个字段主要是用来防止出现路由循环  
**8位协议:** 表示上层协议的类型  
**16位头部校验和:** 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏  
**32位源地址和32位目标地址:** 表示发送端和接收端的地址  
**选项字段:** 不定长, 最多40字节

# 三、地址管理 #

这里讲解ipv4版本的ip地址，其类型是uint32\_t类型的整数，范围是0.0.0.0~255.255.255.255  
**网络号:** 保证相互连接的两个网段具有不同的标识  
**主机号:** 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  
**可通俗理解为：IP=网络号+主机号**

## 3.1 早期地址管理 ##

早期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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**A类**:0.0.0.0~127.255.255.255  
**B类**:128.0.0.0~191.255.255.255  
**C类**:192.0.0.0~223.255.255.255  
**D类**:224.0.0.0~239.255.255.255  
**E类**:240.0.0.0~247.255.255.255

## 3.2 现在地址管理 ##

随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址。针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing):

1.  引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；
2.  子网掩码是一个uint32\_t的整数，其赋值方式是从最高比特位开始依次向下赋值1；例如：255.255.255.0
3.  子网掩码取反=当前子网的最大主机号；
4.  IP地址和子网掩码按位与=当前网络的网段号。

## 3.3 特殊的IP地址 ##

1.  将IP地址中的主机地址全部设为0, 就成为了网络号, 代表这个局域网;
2.  将IP地址中的主机地址全部设为1, 就成为了广播地址, 用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包;
3.  127.\*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1

# 四、私有IP地址和公网IP地址 #

10.0.0.0~10.255.255.255  
172.16.0.0~172.31.255.255  
192.168.0.0~192.168.255.255  
**以上都是私网IP**

**注意**：私网IP不能够直接访问互联网（公网），因为私网IP不具备互联网效力。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

1.  一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP)
2.  路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中
3.  不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复.，但是子网之间的IP地址就可以重复了
4.  每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点.，这样的运营商路由器可能会有很多级,最外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了
5.  子网内的主机需要和外网进行通信时, 路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP), 这样逐级替换, 最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)

# 五、路由选择 #

**路由就是在复杂的网络结构中, 找出一条通往终点的路线。**  
IP数据包的传输过程中：当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机, 还是需要发送给下一个路由器;依次反复, 一直到达目标IP地址。

**那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢? 这个就依靠每个节点内部维护一个路由表**

![在这里插入图片描述][20201231152500689.png]  
路由表可以使用route命令查看；如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可。路由表的**Destination**是目的网络地址,**Genmask**是子网掩码,**Gateway**是下一跳地址,**Iface**是发送接口,**Flags**中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些 条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发。

# 六、NAT技术 #

NAT是地址转换协议，是当前解决IP地址不够用的主要手段, 是路由器的一个重要功能。**具体应用如下**：

1.  NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP. 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法:
2.  很多学校, 家庭, 公司内部采用每个终端设置私有IP, 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP;
3.  全局IP要求唯一, 但是私有IP不需要; 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的

![在这里插入图片描述][20201231154525235.png]  
**请求**：将五元组当中的源IP地址（私网IP地址）转换成公网IP；**应答**：将五元组当中目的IP地址（公网IP地址）转换成私网IP。

## 6.1 静态NAT ##

NAT服务器私网的主机，NAT服务器长期保存一个映射关系，是1对1的关系。应用场景：隐藏自己真实的IP地址。

## 6.2 动态NAT ##

NAT服务器当中保存了多个公网IP，当私网主机数据到来时候（需要进行地址转换的时候），NAT从公网IP池当中拿一个空闲的公网IP进行地址转换。

## 6.3 NAPT ##

如果局域网内, 有多个主机都访问同一个外网服务器, 那么对于服务器返回的数据中, 目的IP都是相同的。那么NAT路由器如何判定将这个数据包转发给哪个局域网的主机?  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**这时候NAPT来解决这个问题，使用IP+port（端口）来建立这个关联。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poYW9fbGVpbGVp_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

## 6.4 NAT技术的缺陷 ##

由于NAT依赖这个转换表, 所以有诸多限制：

1.  无法从NAT外部向内部服务器建立连接;
2.  装换表的生成和销毁都需要额外开销;
3.  通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在备用, 所有的TCP连接也都会断开。

## 6.5 NAT和代理服务器 ##

路由器往往都具备NAT设备的功能, 通过NAT设备进行中转, 完成子网设备和其他子网设备的通信过程。代理服务器看起来和NAT设备有一点像.，客户端像代理服务器发送请求, 代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器; 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户端。**那么NAT和代理服务器的区别有哪些呢?**

1.  从应用上讲, NAT设备是网络基础设备之一, 解决的是IP不足的问题.；代理服务器则是更贴近具体应用, 比如通过代理服务器进行翻墙, 另外像迅游这样的加速器, 也是使用代理服务器；
2.  从底层实现上讲, NAT是工作在网络层, 直接对IP地址进行替换；代理服务器往往工作在应用层；
3.  从使用范围上讲, NAT一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网；
4.  从部署位置上看, NAT一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上。

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